365
12. SHEME I PROCESI POSTROJEJA PLISKIH TURBIA 12.1 Uvod Radni medij u plinskim turbinama je smjesa plinovitih produkata izgaranja goriva u zraku ili je to neki pogodni plin (kao na primjer vodik, helij, zrak ili neki drugi). Princip rada plinske turbine u velikom dijelu sliči onome u parnoj turbini. Kao i kod parnih turbina, radni medij (plin) ekspandira duž puta strujanja, tako da se toplina pretvara u kinetičku energiju plina, a ona se nakon toga u rotoru pretvara u mehanički rad. Obzirom da se radna svojstva plinova razlikuju od istih za paru, postoje i određene razlike u konstrukciji između plinskih i parnih turbina, tako da se, općenito gledano, sheme plinsko turbinskih postrojenja i njihova oprema značajno razlikuju od onih za parnoturbinska postrojenja. Postrojenja plinskih turbina imaju određene prednosti u usporedbi s parnoturbinskim postrojenjima, prije svega: 1. Ona su mnogo kompaktnija, obzirom da gorivo izgara izravno u maloj komori izgaranja uz samu plinsku turbinu, a ne u ogromnom generatoru pare. Osim toga, plinska turbina nema kondenzatora. 2. Plinske turbine možemo vrlo brzo startati i opteretiti u roku od 30 s do 30 minuta. 3. Plinske turbine su jednostavnije konstrukcije i lakše za održavanje. 4. Za njihovu konstrukciju i izvedbu troši se manje materijala za istu snagu stroja. 5. Njihova cijena je manja nego za parnoturbinsko postrojenje. 6. Za razliku od parnih turbina, one nemaju potrebu za rashladnom vodom. S druge strane, plinske turbine imaju i nedostatke u usporedbi s parnim turbinama: 1. Njihova specifična snaga je manja, 2. Njihov stupanj djelovanja je manji, iako se mnogo radi na njegovu povećanju3. Imaju češću potrebu za servisiranjem i održavanjem. 4. Mnogo su osjetljivije na kvalitetu goriva. One na primjer nisu osjetljive na korištenje ugljena i tu se radi na iznalaženju novih tehnologija. S druge strane one su vrlo osjetljive na korištenje teških goriva, pri čemu se susrećemo s teškim i nerješivim problemima. Ideje o izradi plinske turbine su vrlo stare, a nisu bile moguće jer nije bilo adekvatnih materijala niti proizvodnih tehnologija. Do prvih realizacija je došlo tek pri kraju 19. stoljeća. Među pionirima su poznati njemački inženjeri Stolze i Holzwart. Iako su već davno izrađene i ispitane prve plinske turbine, dugo vrijeme nije bilo odgovarajućih praktičnih primjena. Tek u zadnjih pet desetljeća svjedoci smo brzoga razvoja proizvodnih tehnologija i novih materijala, koji se zajedno s ciljanim istraživanjima koriste u izradi plinskih turbina. To je sve omogućilo izradu plinskih turbina relativno visokog stupnja djelovanja i pouzdanosti uz dovoljno dugi životni vijek. U razvoju plinskih turbina, posebna uloga pripada turbopropelernim motorima i mlaznim motorima, koji su unijeli novi život u zrakoplovstvu i nekoliko puta povećali brzine leta. Iskustva stečena u zrakoplovstvu, kao najnaprednijem području inženjerstva, usvojena su i iskorištena u proizvodnji plinskih turbina za potrebe energetike. Plinske turbine nalaze sve širu primjenu u energetici. Zbog njihovih povoljnih startnih karakteristika, elektrane s plinskim turbinama se često koriste za pokrivanje vršnih ili gornjih opterećenja i kao jedinice za napajanje u nuždi. U nekim slučajevima se smatra djelotvornim koristiti plinske turbine kao bazne jedinice u malim elektranama, s time da se otpadna toplina ispušnih plinova koristi za potrebe napajanja toplinom. Obzirom na svoju malu masu, male dimenzije, visoku mobilnost i lako održavanje, plinske turbine se koriste u izvedbi pokretnih elektrana koje prevoze teretna vozila ili željeznica.
366
Gorivo
Zrak
Slika 12.1 Principijelna shema najjednostavnijeg postrojenja plinskom turbinom i izgaranjem pri konstantnom tlakom 1 - kompresor, 2 - električni generator, 3 - pumpa goriva, 4 - komora izgaranja, 5 - rasprskač, 6 - aktivna komora izgaranja, 7 - starter, 8 - turbina
Slika 12.2 T-s dijagram za proces plinske turbine s izgaranjem pri konstantnom tlaku Daljnji rad u razvoju plinskih turbina je usmjeren na povećanje njihove specifične snage, stupnja djelovanja, pouzdanosti i životnog vijeka, što je sve povezano s napretkom u proizvodnji materijala otpornih na visoke temperature i razvoj pogodnih načina hlađenja plinskih turbina. Velike mogućnosti primjene plinskih turbina otvaraju se i u nuklearnim elektranama, u kojima se koristi plin kao rashladni medij. Postoje i određeni razlozi zašto bi takve elektrane bile djelotvornije, kompaktnije i jednostavnije izvedbe u usporedbi s nuklearnim elektranama s vodom hlađenim reaktorom.
12.2 Sheme i procesi postrojenja s plinskom turbinom Shema najjednostavnijeg postrojenja s plinskom turbinom prikazana je na slici 12.1. Kompresor 1 uzima očišćeni zrak i komprimira ga na određeni tlak. Zrak se dalje dovodi u komoru izgaranja 4. Pumpa goriva 3 dobavlja gorivo na rasprskač 5 koji raspršuje gorivo, koje se zagrijava, isparava i miješa sa zrakom u gorivu smjesu koja nastavlja izgarati i održavati plamen. Produkti izgaranja dovode se u turbinu 8. Treba napomenuti da se samo 20-40% dovedenoga zraka koristi za izgaranje goriva i ulazi u primarnu zonu izgaranja. Taj zrak nazivamo primarni zrak. Ostatak od 60-80% zraka obilazi tu zonu i miješa se s produktima izgaranja izvan zone primarnog izgaranja. Pri miješanju s produktima izgaranja, taj zrak vrši hlađenje smjese prije nego je dovedemo do turbine. Taj zrak nazivamo sekundarni ili rashladni zrak. U području primarne zone izgaranja temperature izgaranja iznose 1800-2100 K, što je potrebno za intenzivno i potpuno izgaranje. Dopuštena temperatura dovoda
367 plinova na prve lopatice turbine je svega 1000-1500 K, ovisno o gorivu, koje određuje čvrstoću i trajnost lopatica današnjih plinskih turbina. Snaga koju razvija turbina 8 dijelom se troši za pogon kompresora 1 i ostalih pomoćnih sustava postrojenja, a preostala snaga se predaje potrošačima, na primjer generatoru 2 za proizvodnju električne energije. Postrojenje plinske turbine starta se pomoću elektromotora 7, a goriva smjesa se za vrijeme startanja upaljuje u komori izgaranja pomoću svjećica s električnom iskrom. T-s dijagram za idealni i stvarni proces plinskoturbinskog postrojenja s izgaranjem pri konstantnom tlaku prikazan je na slici 12.2. Termodinamički proces je konstruiran uz sljedeće glavne pretpostavke: 1. Proces je zatvoren i masa radnoga medija u njemu je konstantna i ista. Radni medij je idealni plin konstantnoga sastava i konstantnih specifičnih toplina. 2. Sve promjene u procesu su povrative, tj. odvijaju se bez termičkih, mehaničkih ili hidrauličkih gubitaka. 3. Kompresija u kompresoru i ekspanzija u turbini odvijaju se adijabatski. Obzirom da nema gubitaka, ovi se procesi odvijaju pri konstantnoj entropiji. Linija 3-4' na taj način prikazuje izentropsku kompresiju zraka u kompresoru, koja obuhvaća povećanje temperature i tlaka od početnog stanja p3 i T3 na p4 i T'4. U stvarnom procesu kompresija je vezana uz unutarnje gubitke u kompresoru, tako da je linija procesa pomaknuta u smjeru povećanja entropije (linija 3-4). Toplina se radnom mediju dovodi u komori izgaranja po izobari 4-1, pri čemu temperatura raste od T4 na T1. Linija 1-2' prikazuje izentropsku ekspanziju radnog medija u turbini. U stvarnom procesu s unutarnjim gubicima u turbini, ekspanzija se odvija duž linije 1-2, tako da se tlak smanjuje na p2, a temperatura se spušta na T2. Odvođenje topline iz termodinamičkog procesa prikazano je izobarom 2'-3. U ovome procesu se temperatura radnoga medija smanjuje na svoju početnu vrijednost T3. U stvarnome procesu, linija 2-3 prikazuje klasično zatvaranje procesa s hlađenjem ispušnih plinova na njihovom izlazu u atmosferu. Termički stupanj djelovanja termodinamičkog procesa može se izračunati po jednadžbi:
ηt =
w0 q1 − q2 = q1 q1
( 12.1 )
gdje su q1 specifična količina dovedene topline po jedinici mase radnoga medija, a q2 je specifično odvedena toplina iz procesa (kJ/kg). S w0 je označene specifični rad dobiven iz procesa, koji je jednak razlici specifično dovedene i odvedene topline, a koji je opet jednak razlici izentropskih radova turbine i kompresora:
w0 = w0t − w0c
( 12.2 )
Rad izentropske kompresije 1 kg plina u kompresoru, w0c, može se prikazati kao razlika entalpija na početku i na kraju kompresije:
w0 c = h'4 − h3 = c p (T4′ − T3 )
( 12.3 )
gdje su h3 i h'4 specifične entalpije, kJ/kg, plina na početku i na kraju kompresije, T3 i T'4 su apsolutne temperature, K, plina u točkama 3 i 4' termodinamičkog procesa, a cp je specifična toplina, kJ/kgK, plina pri konstantnom tlaku. Jednadžbe koje su prikazane gore, izvedene su uz pretpostavku da je specifična toplina plina konstantna u procesu plinske turbine.
368 Rad izentropske ekspanzije 1 kg plina u turbini može se isto tako prikazati kao razlika specifičnih entalpija na početku i na kraju ekspanzije:
w0t = h1 − h2′ = c p (T1 − T2′)
( 12.4 )
gdje su h1 i h'2 specifične entalpije, kJ/kg, plina na početku i na kraju ekspanzije, T1 i T'2 su apsolutne temperature, K, plina u točkama 1 i 2' termodinamičkog procesa. Specifična toplina q1 dovedena u proces, predstavljena je u T-s dijagramu površinom c-4'-1-d:
q1 = c p (T1 − T4′)
( 12.5 )
Uvrštavanjem zamjenskih jednadžbi za w0 i qt u jednadžbu (12.1), dobivamo:
ηt =
c p (T1 − T2′) − c p (T4′ − T3 ) = c p (T1 − T4′)
1−
T2′ T3 T4′ − − 1 T1 T1 T3 T4′ 1− T1
( 12.6 )
Kako je poznato iz termodinamike, za izentropske procese vrijedi:
T2′ p2 = T1 p1 T4′ p1 = T3 p2
κ −1 κ
1
=
β κ −1 κ
=β
( 12.7 )
κ −1 κ
κ −1 κ
( 12.8 )
gdje su:
p1 p4 = =β p2 p3
T1 =τ T3
κ=
cp cv
Uvrštavanjem jednadžbi (12.7) i (12.8) u jednadžbu (12.6) dobivamo nakon sređivanja stupnja djelovanja procesa plinske turbine:
1
1−
ηt =
β
κ −1 κ
1−
−
β
β
κ −1 κ
−1
τ κ −1 κ
1
=1−
β
κ −1 κ
( 12.9 )
τ
Kako slijedi iz ove jednadžbe, termički stupanj djelovanja procesa plinske turbine pri konstantnom tlaku p se kontinuirano povećava s povećanjem omjera tlakova β. To vrijedi samo za idealni termodinamički proces u kojemu smo zanemarili unutarnje gubitke i gdje se dovod topline radnom mediju vrši izvana preko izmjenjivača topline, a odvod isto tako oduzimanjem topline. Rad kompresije zraka i ekspanzije plina u turbini u realnom procesu prikazuje se na isti način kao i za idealni termodinamički proces, tj. putem razlika entalpija:
369 wc = c p (T4 − T3 )
( 12.10 )
wt = c p (T1 − T2 )
( 12.11 )
Unutarnji gubici koji se javljaju tijekom kompresije zraka u kompresoru uzeti su u obzir u indiciranom stupnju djelovanja kompresora:
ηc =
w0 c T4′ − T3 = wc T4 − T3
( 12.12 )
gdje je w0c rad izentropske kompresije 1 kg zraka u termodinamičkom procesu, a wc je stvarni rad kompresije 1 kg zraka u stvarnome procesu. Na isti način, unutarnji gubici u turbini su uzeti u obzir u indiciranom stupnju djelovanja turbine:
ηri =
wt T1 − T2 = w0t T1 − T2′
( 12.13 )
gdje je wt rad ekspanzije 1 kg plina u stvarnoj turbini, a w0t je rad izentropske ekspanzije u idealnom procesu. Prema jednadžbama (12.12) i (12.13) stvarni radovi kompresije u kompresoru i ekspanzije u turbini su:
wc =
w0c
( 12.14 )
ηc
wt = (1 + µ ) w0t η ri
( 12.15 )
gdje je µ masa izgorenog goriva po 1 kg zraka dovedenog u komoru izgaranja. Ta je vrijednost obično unutar 0.01-0.018 kg/kg i može se zanemariti. Korištenjem jednadžbi (12.14) i (12.15) moguće je odrediti korisni indicirani rad plinskoturbinskog postrojenja po 1 kg usisanoga zraka u kompresor, kao razlika indiciranih radova turbine i kompresora:
wi = wt − wc = w0t η ri −
w0 c
ηc
= c p (T1 − T2′)η ri −
c p (T4′ − T3 )
ηc
T′ T T ′ = c p T1 1 − 2 η ri − 3 4 − 1 ηc T3 T1 ( 12.16 )
Uvrštavanjem jednadžbi (12.7) i (12.8) u (12.16) dobivamo: κ −1 κ β − 1 1 wi = c p T1 1 − κ −1 η ri − τ ηc β κ
gdje je stupanj porasta temperature u procesu:
τ=
T1 T3
( 12.17 )
370
12.3 Glavne karakteristike plinskoturbinskog postrojenja i načini povećanja stupnja djelovanja Proces u plinskoturbinskom postrojenju obuhvaća određene gubitke koji se mogu podijeliti na unutarnje i vanjske. Unutarnji gubici su usko povezani s promjenama stanja radnoga medija. Oni obuhvaćaju: 1. Unutarnji gubici u kompresoru obuhvaćeni su u indiciranom stupnju djelovanja kompresora ηc. 2. Unutarnji gubici plinske turbine obuhvaćeni su u indiciranom stupnju djelovanja turbine ηri. 3. Toplinski gubici u komori izgaranja obuhvaćeni su u termičkom stupnju djelovanja komore izgaranja ηthcc. 4. Gubici zbog otpora strujanja na strani zraka (do komore izgaranja) koji obuhvaćaju gubitke u vodovima zraka, regeneratoru i hladnjaku zraka. 5. Gubici zbog otpora strujanja na strani plinova izgaranja, koji obuhvaćaju gubitke u komori izgaranja, regeneratoru i ispušnim kanalima. 6. Gubici vezani uz potrošnju zraka za hlađenje dijelova turbine (lopatica, diskova itd.). Unutarnji gubici u plinskoturbinskom postrojenju se ocjenjuju na opći način pomoću indiciranog stupnja djelovanja postrojenja:
ηi =
wi qcc
( 12.18 )
gdje je wi specifični indicirani rad postrojenja, kJ/kg, a qcc je specifično utrošena toplina dovedena u komori izgaranja za zagrijavanje 1 kg zraka s temperature T4 na T1, kJ/kg (slika 12.2):
qcc =
cp
ηccth
(T1 − T4 )
( 12.19 )
Tu je ηthcc stupanj djelovanja komore izgaranja. Nakon uvrštavanja jednadžbi (12.17) i (12.19) za wi i qcc u jednadžbu (12.18), dobivamo: κ −1 κ β − 1 1 c p T1 1 − κ −1 η ri − τ ηc β κ ηi = = cp (T4 − T1 ) th
ηcc
κ −1 β κ −1 1 1 − κ −1 η ri − τ η β κ c (T4 − T1 )
( 12.20 )
ηccth
Koristeći dodatne matematičke transformacije, jednadžba (12.20) se svodi na novi oblik: κ −1 1 β κ −1 1 − κ −1 τ η ri − η β κ c ηi = ηccth κκ−1 β − 1 τ −1−
( 12.21 )
ηc
Prema tome, indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja ovisi o brojnim parametrima:
371
Slika 12.3 Indicirani stupanj djelovanja najjednostavnijeg plinskoturbinskog postrojenja u ovisnosti o omjeru tlakova β na kompresoru i omjeru temperatura τ
ηi = f (τ , β ,η ri ,ηc ,ηccth ) Treba biti jasno da je indicirani stupanj djelovanja ηi veći, kada su veći i svi ostali indicirani stupnjevi djelovanja na postrojenju, odnosno kada su manji gubici na kompresoru, turbini ili komori izgaranja. Kako se može vidjeti iz jednadžbe (12.21), ηi je linearno proporcionalan s ηthcc. Stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja još jače ovisi o stupnjevima djelovanja kompresora i turbine, što nas upućuje u potrebu za njihovim poboljšanjem. Indicirani stupnjevi djelovanja su danas: za aksijalni kompresor ηc = 0.83-0.90 i za plinsku turbinu ηri = 0.85-0.90. Na slici 12.3 prikazane su krivulje η = f(β) za različite vrijednosti za τ = T1/T3 pri ηri = 0.87, ηc = 0.88, ηthcc = 0.97 i konstantnoj temperaturi usisanog zraka T3 = 288 K (15 oC). Kako možemo vidjeti, stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja kontinuirano se povećava s povećanjem τ. U isto vrijeme, povećana je i radna sposobnost 1 kg zraka, tako da je tada za istu snagu potreban manji protok zraka. Povećanje τ se može postići s povećanjem T1 ili smanjenjem T3. Pošto se temperatura atmosferskog zraka može mijenjati u širokom rasponu, njezina promjena može značajno utjecati na stupanj djelovanja i snagu plinskoturbinskog postrojenja. S povećanjem T3, povećava se specifični volumen zraka, čime se ujedno povećava rad kompresora. Tada se ujedno smanjuje maseni protok zraka i snaga plinske turbine. Najdjelotvornija metoda za povećanje stupnja djelovanja plinskoturbinskog postrojenja je u povećanju temperature plina T1 ispred turbine. Kako se vidi iz slike 12.3, indicirani stupanj djelovanja ηi je veći pri višoj temperaturi T1. Ovo vrijedi za bilo koje plinskoturbinsko postrojenje obzirom da je T1 najviša temperatura u procesu i njeno povišenje ujedno povećava stupanj djelovanja. Kod stacionarnih turbina velike snage, dopuštene maksimalne temperature za dugi rad postrojenja su T1 = 1000 - 1400 K. Daljnje povećanje temperature je ograničeno mineralnim termičkim izolacijama i čvrstoćom metala na visokim temperaturama koji se koriste za izradu rotora i rotorskih lopatica. Kod plinskih turbina s kratkim periodima rada, maksimalna temperatura T1 može doseći 1600 K. U općem slučaju, odabir početne temperature T1 ovisi o brojnim faktorima, prije svega o namjeni plinskoturbinskog postrojenja, predviđenom životnom vijeku i vrsti goriva koje se koristi. Na primjer, početna temperatura u plinskoj turbini koja koristi tekuće gorivo, posebno s visokim sadržajem vanadija je smanjena na najviše 920 K kako bi se smanjio utjecaj visokotemperaturne korozije. Time je snižen i stupanj djelovanja postrojenja.
372 Jednadžba η = f(β) ima mnogo složeniju ovisnost, kako se kože vidjeti na slici 12.3, obzirom da stupanj djelovanja plinske turbine ima maksimalnu vrijednost za neki optimalni omjer tlakova βopt. Vrijednost za βopt ovisi o izvedbi postrojenja i o temperaturama T1 i T3. Stupanj djelovanja se povećava s povećanjem T1 i smanjenjem T3. Neki od dodatnih faktora koji imaju utjecaj su ηri ili ηc i βopt. Zbog toga je potrebno posebno izračunati βopt za određenu izvedbu turbine i njene glavne karakteristike. Omjer korisnog rada plinske turbine i rada same turbine označava se kao koeficijent korisnoga rada:
δ=
wi wt − wc w = =1− c wt wt wt
( 12.22 )
Jasno je da je δ veći kada je rad kompresije manji ili kada je rad turbine veći, tj. kada je rad predan potrošaču veći. Uvrštavanjem jednadžbi (12.11) i (1217) za radove wt i wi u jednadžbu (12.22), nakon sređivanja dobivamo: κ −1
β κ δ =1− τ η ri ηc
( 12.23 )
Iz ove jednadžbe je vidljivo koji parametri doprinose povećanju koeficijenta korisnog rada δ. Pored toga, uz pretpostavku određenih vrijednosti zaηri i ηc i uzimanjem δ = 0 moguće je odrediti vrijednost za β pri različitim vrijednostima τ kada se iz postrojenja ne dobiva nikakav korisni rad. Indicirana snaga plinskoturbinskog postrojenja može se prikazati jednadžbom:
Pi = m& a wi
( 12.24 )
& a maseni protok zraka u postrojenju, kg/s, a wi je indicirani korisni rad postrojenja, kJ/kg, gdje je m koji izračunavamo po jednadžbi (12.16) ili (12.17). Rad wi se može prikazati kao razlika toplinskih padova turbine i kompresora: wi = H 0t η ri −
H 0c
η
( 12.25 )
gdje su H0t izentropski toplinski pad u kompresoru, kJ/kg, a Hc izentropski toplinski pad u turbini kJ/kg:
H 0t = h1 − h2′ = c p (T1 − T2′)
( 12.26 )
H c = h4′ − h3 = c p (T4 − T3 )
( 12.27 )
Toplinske padove H0t i H0c mogu se očitati u h-s dijagramu za produkte izgaranja i za plin. Važne karakteristike plinskoturbinskog postrojenja su specifične potrošnje zraka di, topline qi i goriva gi.
& a i korisne snage. Ona u Specifična potrošnja zraka je omjer masenog protoka zraka u jednom satu m određenom smislu predstavlja dimenzije postrojenja. Za određenu snagu ostale jednake uvjete, dimenzije postrojenja su direktno proporcionalne specifičnoj potrošnji zraka: di =
1 wi
kg/kJ
373
d i = 3600
m& a 3600 = Pi wi
kg/kWh
( 12.28 )
& a protok zraka u kompresoru, kg/s, a Pi je indicirana snaga postrojenja, kW. gdje je m Specifična potrošnja topline, kJ/kWh, određuje stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja:
qi =
3600
kJ/kWh
ηi
( 12.29 )
gdje je ηi indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja. Kada uspoređujemo stupnjeve djelovanja različitih plinskoturbinskih postrojenja, relativnu uštedu u potrošnji topline možemo prikazati jednadžbom:
∆qi =
qi − qi′ ηi′ − ηi = qi ηi′
( 12.30 )
gdje su qi i ηi specifična potrošnja topline i indicirani stupanj djelovanja postrojenja kojega uspoređujemo, a q'i i η'i su to isto za djelotvornije postrojenje. Uz poznatu donju ogrjevnu moć Hd za gorivo koje koristi turbina, moguće je izračunati specifičnu potrošnju goriva, kg/kWh:
gi =
m& qi 3600 = = 3600 g H d ηi H d Hd
( 12.31 )
& g maseni protok goriva, kg/s. gdje je m Vanjski gubici plinskoturbinskog postrojenja nemaju izravni utjecaj na stanje radnoga medija. Oni obuhvaćaju gubitke zbog trenja u ležajevima turbine i kompresora i u reduktoru (ako se koristi), gubitke zbog propuštanja plina na brtvama i gubitke za pogon pomoćne opreme (pumpa ulja, regulator itd.). Svi vanjski gubici obuhvaćeni su mehaničkim stupnjem djelovanja postrojenja:
ηm =
we wi
( 12.32 )
gdje je we specifični efektivni rad plinskoturbinskog postrojenja, kJ/kg:
we = wi − wm
( 12.33 )
gdje je wm specifični rad mehaničkih gubitaka, kJ/kg. Nakon nekoliko transformacija dobivamo:
w 1 w0 c 1 w0t η ri (1 − ηtm ) + 0 c − 1 − 1 ηc ηcm ηc ηcm =1− wi wi
wt (1 − ηtm ) +
ηm = 1 −
gdje su ηtm i ηcm mehanički stupnjevi djelovanja turbine i kompresor.
( 12.34 )
374 Unutarnji i vanjski gubici plinskoturbinskog postrojenja obuhvaćeni su efektivnim stupnjem djelovanja, koji je omjer efektivnog predanoga rada i specifično dovedene topline u proces po 1 kg zraka u komori izgaranja.
ηe =
we qcc
( 12.35 )
η e = ηi η m
( 12.36 )
Specifična toplina dovedena u komori izgaranja qcc može se naći po jednadžbi (12.19) ii po jednadžbi:
qcc =
m& g H d m& a
( 12.37 )
Efektivna snaga plinskoturbinskog postrojenja, kW, je:
Pe = we m& a
( 12.38 )
Pe = Pi η m
( 12.39 )
Specifična efektivna potrošnja goriva, kg/kWh, je:
g e = 3600
m& g m& g 3600 3600 = 3600 g = i = = Pe Pi ηm η m ηi η m H d ηe H d
( 12.40 )
Osim povećanja temperature plina pred ulazom u turbinu, postoje i druge metode za povećanje stupnja djelovanja postrojenja: 1. Regeneracija topline ispušnih plinova, 2. Kompresija zraka u više serijski povezanih stupnjeva s hlađenjem zraka u hladnjacima između stupnjeva, 3. Primjenom izgaranja (ili grijanja plina) u više stupnjeva, 4. Korištenjem turbina s više vratila, što daje viši stupanj djelovanja n smanjenim opterećenjima, 5. Primjenom kombiniranog postrojenja parne i plinske turbine, 6. Korištenjem topline ispušnih plinova za proizvodnju pare ili vrele vode. Ove metode sadrže često i vrlo složene sustave, sheme i opremu.
12.4 Jednoosovinsko plinskoturbinsko postrojenje s regeneracijom Jedna od mogućih metoda za povećanje stupnja djelovanja je utilizacija topline ispušnih plinova za zagrijavanje komprimiranog zraka koji se dovodi u komoru izgaranja. Za tu namjenu se zrak iza kompresor 1 (slika 12.4a) dovodi u regenerator koji je u biti površinski izmjenjivač topline. Tu se dio topline ispušnih plinova iza turbine 4 predaje zraku, a ohlađeni ispušni plinovi se odvode u dimnjak i u atmosferu. Zagrijani zrak se dovodi u komoru izgaranja 3. Pogledajmo T-s dijagram procesa plinske turbine s regeneracijom (slika 12.4b). Glavne linije koje pokazuju odvijanje procesa u plinskoj turbini su sljedeće: 3 - 4, je kompresija zraka u kompresoru, 4 - 5, je zagrijavanje zraka u regeneratoru pri konstantnom tlaku, 5 - 1, je dovod topline u komori izgaranja pri konstantnom tlaku, 1 - 2, je ekspanzija plinova u turbini, 2 - 6, je odvod topline od ispušnih plinova u regeneratoru pri konstantnom tlaku, 6 - 3, je izobarni odvod topline od plinova pri ispuhu u atmosferu.
375
Slika 12.4 Regenerativno plinskoturbinsko postrojenje a - glavna shema regenerativnog postrojenja s jednim vratilom, b - T-s dijagram procesa turbine
Šrafirana površina a-4-5-b predstavlja toplinu qa dovedenu 1 kg zraka u regeneratoru, a površina d-62-e količinu topline odvedenu od ispušnih plinova i predanu 1 kg zraka. Ove dvije površine su uzajamno jednake ako pretpostavimo da nemamo nikakve gubitke u okoliš. Toplina ispušnih plinova turbine bi bila potpuno iskorištena ako bi zrak u regeneratoru zagrijali na temperaturu T5' = T2, tj. na temperaturu s kojom ispušni plinovi izlaze iz turbine. Ova je količina topline u T-s dijagramu prikazana površinom a-4-5'-c. Omjer:
površina a - 4 - 5 - b qa = =R qmax površina a - 4 - 5'-c
( 12.41 )
je omjer stvarno prenesene količine u regeneratoru prema idealno mogućoj, koji nazivamo omjer regeneracije. Pretpostavimo da qa i qmax možemo izraziti parametrima procesa:
qa = c p (T5 − T4 )
( 12.42 )
qmax = c p (T2 − T4 )
( 12.43 )
gdje je T2 temperatura ispušnih plinova na izlazu iz turbine, T4 je temperatura zraka prije regeneratora, a T5 iza regeneratora. Sada možemo napisati jednadžbu za omjer regeneracije:
R=
T5 − T4 T2 − T4
( 12.44 )
Zanemarujući pad tlaka pri strujanju plina ili zraka kroz regenerator, mogli bi pretpostaviti da regenerator nema nikakvog utjecaja na korisni rad wi plinskoturbinskog postrojenja, koji izračunavamo po jednadžbi (12.17). S druge strane, količina topline qr koju dovodimo u komori izgaranja u procesu s regeneracijom je manja za qa od količine topline qcc koju dovodimo u procesu bez regeneracije, tj.:
qr = qcc − qa
( 12.45 )
Supstitucijom jednadžbi (12.19) i (12.42) za qcc i qa u jednadžbu (12.45) i uzimajući u obzir gubitke za qa u komori izgaranja pomoću ηthcc, dobivamo:
376
qr =
cp
η
th cc
(T1 − T4 ) −
cp
η
th cc
(T5 − T4 ) =
cp
η
th cc
(T1 − T5 ) =
c p T1 T4 1 − ηccth T1
( 12.46 )
Dakle, indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s regeneracijom je:
κ −1 1 1 κ − 1 1 − κ −1 η ri − τ η β c w β κ ηccth ηir = i = T5 qr 1− T1
( 12.47 )
Izrazimo sada T5 pomoću R po jednadžbi (12.44):
T5 = R (T2 − T4 ) + T4 Uvrštavanjem ove jednadžbe u jednadžbu (12.47) dobivamo:
κ −1 1 1 κ 1 1 − η β − − κ −1 ri τ ηc β κ ηccth ηir = ( ) [RT2 + 1 − R T4 ] 1− T1
( 12.48 )
Nakon određenih transformacija, jednadžbu (12.48) možemo zapisati u bezdimenzijskom obliku:
ηir =
1−
κ −1 1 1 κ − 1 1 − κ −1 ηri − τ η β β κ c ηccth κ −1 κ −1 1 κ 1 1 1 κ 1 β − − 1 T4 R 1 − 1 − κ −1 η ri − 1 + 1 + β η τ η c c β κ
( 12.49 )
τ
Krivulje ηir = f (β ) za različite vrijednosti od R su prikazane na slici 12.5. One su iscrtane za temperaturu plina ispred turbine T1 = 1023 K, temperaturu zraka ispred kompresora T3 = 288 K i stupnjeve djelovanja ηri = 0.87 i ηthcc = 0.97. Sve krivulje se sijeku u točki A koja odgovara omjeru tlakova β pri kojemu temperatura iza kompresora postaje jednaka temperaturi plina iza turbine, tj. T4 = T2 . U tom slučaju je regeneracija nemoguća. Regeneracija smanjuje optimalni omjer tlakova β opt na kompresoru, koji je manji pri višoj vrijednosti R. Iz tog razloga, regeneracija uzrokuje porast koeficijenta korisnog rada δ, koji izračunavamo po jednadžbi (12.23). Pri R < 0.5, utjecaj regeneracije na stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja postaje zanemariv. Vrijednost od R se aktualno izračunava po ogrjevnoj površini regeneratora. U najmodernijim plinskoturbinskim postrojenjima s regeneracijom je R = 0.6-0.8. U tom je slučaju ušteda na gorivu zbog regeneracije na razini od 22-28%. Pri R > 0.8, regenerator ima jako veliku ogrjevnu površinu i prema tome velike dimenzije. Iz toga razloga, najbolje vrijednosti od R nalazimo ovisno o shemi i primjeni plinskoturbinskog na temelju tehničko-ekonomskih proračuna koji uzimaju u obzir T1, ηri, ηc, masu i veličinu, troškove i izvedbu postrojenja. Osim toga, ugradnja regeneratora stvara dodatne hidrauličke otpore na putu zraka i plina, pa prema tome i odgovarajuće smanjenje stupnja djelovanja postrojenja. Pri velikim otporima strujanja može doći i do poništavanja efekta regeneracije.
377
Slika 12.5 Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja u ovisnosti o omjeru tlakova na kompresoru pri različitim vrijednostima stupnja regeneracije R Možemo napomenuti u zaključku da regeneracija omogućuje poboljšanje stupnja djelovanja postrojenja ne samo za uvjete nazivnog opterećenja, već i pri djelomičnim opterećenjima, obzirom da se stupanj djelovanja postrojenja s regeneracijom smanjuje pri smanjenju opterećenja sporije nego stupanj djelovanja postrojenja bez regeneracije. Osim kod plinskoturbinskih postrojenja s jednim vratilom rotora, koja smo ovdje opisali, regeneracija se koristi i kod razvijenih postrojenja s više vratila i u svim slučajevima gdje je njena primjena ekonomski isplativa.
12.5 Plinskoturbinsko postrojenje s kompresijom i izgaranjem u više stupnjeva Kao što nam je poznato iz termodinamike, rad kompresije plina je najmanji ako se on odvija izotermno. Ovakav se proces ne može ostvariti u kompresoru. Kako bi stvarni proces u kompresoru približili izotermnom procesu i na taj način smanjili rad kompresije, koristimo kompresiju u više stupnjeva s hlađenjem zraka među stupnjevima. Hlađenje se odvija u međuhladnjacima. Jasno je da će proces biti sve bliži izotermnom procesu, što više stupnjeva kompresije koristimo. Veći broj stupnjeva iziskuje složenije i skuplje postrojenje uz veće gubitke strujanja na putu zraka. Iz tih razloga se obično koriste dva stupnja kompresije, a mnogo rjeđe tri ili više stupnjeva kompresije. Ponekada se iza zadnjeg stupnja kompresije, prije komore izgaranja, stavlja regenerator. Shema procesa plinske turbine s dva stupnja kompresije zraka i regeneracijom prikazana je na slici 12.6. Prvi stupanj kompresije C1 siše zrak i komprimira ga na tlak p*. Njegova temperatura porasla je s T3 na T*4 (linija 3-4*). Zrak se tada vodi u hladnjak zraka AC kako bi ga ohladili po liniji konstantnoga tlaka na temperaturu T*3 (linija 4*-3*), nakon čega ga usisava drugi stupanj kompresora C2 i komprimira ga na tlak p4. Njegova temperatura povećala se kompresijom na T4 (linija 3*-4). Nakon toga zrak prolazi kroz regenerator R, u kojemu se grije s T4 na T5 i ulazi u komoru izgaranja CC. Produkti izgaranja na temperaturi T1 i tlaku p1 dolaze u turbinu T, u kojoj ekspandiraju na tlak p2 i temperaturu T2, nakon čega ulaze u regenerator R u kojemu se hlade na konačnu temperaturu ispuha T6. Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s regeneracijom s kompresijom zraka u dva stupnja prikazan je jednadžbom:
378
Slika 2.6 Plinskoturbinsko postrojenje s kompresijom u dva stupnja i međuhladnjakom zraka a - principijelna shema, b - T-s dijagram procesa turbine
ηicr =
w0c1 w0c 2 wi 1 = + w0t η ri − η η qcc qcc c 2 c1
( 12.50 )
gdje je wi indicirani rad plinskoturbinskog postrojenja, koji je jednak razlici rada turbine i rada za kompresiju u kompresorima C1 i C2. Veličina qcc je specifična toplina dovedena 1 kg zraka u komori izgaranja. Specifični radovi w0c1 i w0c2 su radovi izentropske kompresije u kompresorima C1 i C2, a ηc1 i ηc2 su stupnjevi djelovanja ovih kompresija. w0t i ηri su specifični izentropski rad i indicirani stupanj djelovanja za ekspanziju u turbini. Sukladno T-s dijagramu na slici 12.6b, radovi izentropske kompresije u kompresorima C1 i C2 su:
T ′* w0 c1 = c p (T4′* − T3 ) = c pT3 4 − 1 T3
( 12.51 )
T′ w0 c1 = c p (T4′ − T3* ) = c p T3* 4* − 1 T3
( 12.52 )
Neka su omjeri tlakova na prvom i drugom kompresoru:
β1 =
p* p3
β2 =
p4 p*
( 12.53 )
gdje je p3 tlak ispred kompresora C1, p* je tlak između kompresora i u međuhladnjaku, a p4 je tlak iza kompresora C2. Za točke 3 i 4'* te za 3* i 4' koje leže na izentropskim linijama kompresije možemo zapisati jednadžbe:
T4′ p = T3 p3* *
*
κ −1 κ
κ −1 κ
= β1
T4′ p4 = T3 p*
κ −1 κ
κ −1 κ
= β2
( 12.54 )
Nakon uvrštavanja jednadžbi (12.54) u jednadžbe (12.51) i (12.52), dobivamo:
κ −1 w0 c1 = c pT3 β1 κ − 1
( 12.55 )
379
w0c1
κκ−1 = c p T β 2 − 1 * 3
( 12.56 )
Rad izentropske ekspanzije u turbini, w0t i specifično dovedena toplina u komori izgaranja mogu se izračunati po jednadžbama:
1 w0t = c p (T1 − T2′) = c p T1 1 − κ −1 β κ
qcc =
cp
η
th cc
(T1 − T5 ) =
( 12.57 )
c p T1 T5 1 − ηccth T1
( 12.58 )
gdje je ukupni omjer tlakova u procesu:
β=
p4 = β1 β 2 p3
Supstitucijom vrijednosti iz jednadžbe (12.55) uvrštavanjem (12.58) u (12.50), dobivamo jednadžbu za indicirani stupanj djelovanja:
ηicr
κ −1 κκ−1 β1 − 1 β 2 κ − 1 1 + 1 − κ −1 η ri − τ η τ ′ηc 2 β κ 1 c η th = cc T 1− 5 T1
gdje su:
ηicr
τ=
T1 T3
τ′ =
( 12.59 )
T1 , pa možemo dobiti: T3*
κ −1 κκ−1 β1 − 1 β 2 κ − 1 1 + 1 − κ −1 η ri − τ η τ ′ηc 2 β κ c1 ηccth = κ −1 1 (1 − R ) β 2 κ − 1 1 − R 1 − η ri 1 − κ −1 − 1 + τ′ ηc 2 κ β
( 12.60 )
gdje je R omjer regeneracije. Kako slijedi iz analize jednadžbe (12.60), stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja se povećava pri povećanju τ i τ', tj. pri povećanju početne temperature plina T1 i smanjenju temperature zraka T3 i T*3 prije kompresora. Stupanj djelovanja procesa se povećava i s povećanjem omjera regeneracije i stupnja djelovanja turbostrojeva (turbine i svakoga kompresora) ηri, ηc1 i ηc2. Stupanj djelovanja postrojenja ηicr ima maksimum na određenim vrijednostima za β1 i β. Utjecaj omjera tlakova na kompresoru β i ηicr su prikazani u obliku krivulja ηicr = f(β ) na slici 12.7, koje su prikazane za različite omjere regeneracije R po jednadžbi (12.60).
380
Slika 12.7 Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s dva stupnja kompresije i međuhlađenjem ovisno o omjeru tlakova β i omjeru regeneracije R Krivulje su iscrtane uz pretpostavku da su: β1 = β2, τ = τ' = 3.55, ηri = 0.88 i ηc1 = ηc2 = 0.85. Za usporedbu, crtkane linije na slici prikazuju iste krivulje za iste vrijednosti od R,τ, τ', ηri, ηc1 i ηc2 za plinskoturbinsko postrojenje bez međuhladnjaka. Usporedbom krivulja, možemo vidjeti da međuhlađenje povećava stupanj djelovanja postrojenja, s time da je dobitak to veći što je veći omjer regeneracije R. Pored toga, za određeni omjer regeneracije R, međuhlađenje donosi povećanje optimalnog omjera tlakova βopt i prema tome smanjenje specifične potrošnje plina i povećanje specifične snage postrojenja. Moguće je također povećati stupanj djelovanja i specifičnu snagu, te smanjiti specifičnu potrošnju plina primjenom izgaranja u više stupnjeva u nekoliko komora izgaranja koje su smještene duž puta plina među plinskim turbinama. U tom slučaju, proces ekspanzije plina se više približava izotermnom procesu, čime se povećava stupanj djelovanja procesa i korisni rad postrojenja. Shema postrojenja s regeneracijom i izgaranjem u dva stupnja uz međupregrijanje plina prikazana je na slici 12.8a. Zrak iz kompresora C prolazi kroz regenerator R pri tlaku p4 i temperaturi T5 te ulazi u prvu komoru izgaranja CC1. Produkti izgaranja iz ove komore, pri temperaturi T1 i tlaku p1 dovode se u prvu turbinu T1 u kojoj ekspandiraju na tlak p*2 i pritom se ohlade na T*2. Ispušni plinovi iz turbine T1 ulaze u drugu komoru izgaranja CC2 gdje njihova temperatura naraste na T*1 zbog dodatnog izgaranja goriva. Obzirom na visoki pretičak zraka za izgaranje u komori CC1, dodatno gorivo može izgarati u komori CC2 bez dovoda dodatnog zraka. Produkti izgaranja iz te druge komore odvode se na drugu turbinu T2 i u njoj ekspandiraju na tlak p2 i temperaturu T2, nakon čega se kroz regenerator R odvode u ispuh u atmosferu.
Slika 12.8 Plinskoturbinsko postrojenje s izgaranjem u više stupnjeva a - principijelna shema, b - T-s dijagram procesa
381 T-s dijagram ovoga procesa prikazan je na slici 12.8b. Linije u dijagramu prikazuju sljedeće procese: 3 - 4 je kompresija u kompresoru C, 4 - 5 je zagrijavanje zraka u regeneratoru R, 5 - 1 je dovod topline u prvoj komori izgaranja CC1, 1 - 2* je ekspanzija u prvoj plinskoj turbini T1, 2* - 1* je dovod topline u drugoj komori izgaranja CC2, 1* - 2 je ekspanzija plina u drugoj turbini T2, 2 - 6 je odvod topline u regeneratoru R, 6 - 3 je odvod topline ispuhom ispušnih plinova u atmosferu. Indicirani stupanj djelovanja postrojenja s plinskom turbinom s regeneracijom i dovodom topline u dva stupnja je:
ηihr =
η w + η ri 2 w0t 2 − w0c ηc wi = ri1 0t1 qh1 + qh 2 qh1 + qh 2
( 12.61 )
gdje su wi specifični indicirani rad radnoga medija u plinskoturbinskom postrojenju, qh1 i qh2 su specifične dovedene topline u komorama izgaranja CC1 i CC2, w0t1 i w0t2 su specifični radovi izentropske ekspanzije na turbinama T1 i T2, indicirani stupnjevi djelovanja za ekspanzije na turbinama su ηri1 i ηri2, a w0c i η0c su specifični izentropski rad i indicirani stupanj djelovanja za kompresiju u kompresoru C. Sukladno slici 12.8b, možemo sastaviti jednadžbu u sljedećem obliku:
(
)
(
)
η ri1 c p T1 − T2′* + ηri 2 c p T1* − T2′ − ηihr =
(
c p (T1 − T5 ) + c p T − T * 1
* 2
(
c p T1* − T3
)
)
ηc
( 12.62 )
ili nakon sređivanja:
ηihr
κκ−1 − T3 β 1 1 η ri1 1 − κ −1 + η ri 2 τ 1 1 − κ −1 − τ ηc σ κ σ κ 1 2 = κ −1 β κ − T3 ( 1 − R) 1 1 τ1 − 1+ − R τ 1 1 − η ri 2 1 − κ −1 + η ri1 1 − κ −1 τ ηc σ κ σ κ 1 2
( 12.63 )
gdje je R omjer regeneracije; τ = T1 T3 je stupanj povećanja temperature u procesu, τ 1 = T1* T1 je omjer apsolutnih temperatura ispred prve i druge turbine, T1 i T2; σ1 = p1/p*1 je stupanj ekspanzije pare u prvoj turbini; σ2 = p*1/p2 je stupanj ekspanzije pare u drugoj turbini; σ = σ1σ2 je ukupni stupanj ekspanzije, koji je jednak omjeru tlakova na kompresoru σ = p1 / p2 = β. Kako slijedi iz analize po jednadžbi (12.63), indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja sa stupnjevitim izgaranjem se povećava kada se povećavaju T1, T*1, R, ηri1, ηri2, i ηc i kada se smanjuje T3. Pri fiksnim vrijednostima ovih parametara, ηihr poprima maksimalnu vrijednost pri optimalnom omjeru tlakova na kompresoru βopt i stupnju ekspanzije u prvoj ili drugoj turbini, σ1opt ili σ2opt.
382
Slika 12.9 Indicirani stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja pri izgaranju u dva stupnja ovisno o omjeru tlakova na kompresoru β i omjeru regeneracije R Utjecaj omjera tlakova β na kompresoru na stupanj djelovanja plinskoturbinskog postrojenja s izgaranjem u dva stupnja prikazan je na slici 12.9. Pri crtanju dijagrama uzete su sljedeće pretpostavke: τ = 3.55, τ1 =1, ηri1 = ηri2 = 0.87, ηc = 0.86, σ1 = σ2, β = σ1σ2. Usporedba ovih krivulja s krivuljama za stupanj djelovanja najjednostavnije plinske turbine (crtkane linije na slici 12.9) za iste zadane parametre ukazuju na utjecaj izgaranja u dva stupnja na povećanje stupnja djelovanja, osobiti kod velikih omjera regeneracije R. Pored svega, za istu vrijednost od R, izgaranje u više stupnjeva povećava optimalni omjer tlakova βopt i smanjuje specifičnu potrošnju plina. Iz analize je jasno da se pri povećanju broja stupnjeva izgaranja približavamo izotermnom dovodu topline u proces. Kao i kod uvođenja većeg broja stupnjeva kompresije s međuhlađenjem, vidjeli smo da nije isplativo ići na veliki broj stupnjeva i da je najpogodnije ako kompresiju vršimo u dva stupnja s međuhlađenjem zraka među stupnjevima kompresije. Slično ćemo se i kod izgaranja ograničiti na dva stupnja izgaranja, jer su oprema za ubrizgavanje goriva i same komore vrlo skupi elementi turbine. Veliki broj komora ujedno povećava i gubitke strujanja u plinskoj turbini i smanjuje joj stupanj djelovanja. Kod plinskih turbina u praksi se često koriste turbine s podjelom kompresije u dva stupnja s međuhlađenjem i na izgaranje u dva stupnja s dva stupnja ekspanzije na turbini. Iako ovakva izvedba turbine komplicira njenu konstrukciju i poskupljuje ju, vrlo se često koristi u suvremenim turbinama. To sve zajedno, u kombinaciji s optimalno odabranim parametrima, kao što su optimalni omjer tlakova i omjer regeneracije, omogućuju povećanje stupnja djelovanja plinskoturbinskog postrojenja.
12.6 Plinska turbina s više vratila Među proizvođačima plinskih turbina je veliki trend u povećanju snage turbina, kako bi smanjili troškove investicija i troškove održavanja. Snaga jedne parne turbine je povećana do 1200 MW, ali se snage plinskih turbina vrlo rijetko penju na vrijednosti veće od 300 MW. Vezano uz to, analizirati ćemo koje su krajnje mogućnosti postizanja snage za plinsku turbinu i naći veličine koje ograničavaju tu snagu. Ako uzmemo jednadžbe (12.24), (12.25), (12.35) i (12.39), korisnu snagu plinske turbine možemo prikazati ne sljedećom jednadžbom:
H Pef = m& g H 0t ηri ηtm − 0c ηc ηcm
( 12.64 )
383 & g protok plina na turbini, kg/s, H0t i H0c su izentropski padovi entalpije na turbini i gdje je m kompresoru, kJ/kg, ηri i ηc su indicirani stupnjevi djelovanja za turbinu i kompresor, a ηtm i ηcm su mehanički stupnjevi djelovanja turbine i kompresora. Iz jednadžbe (12.64) vidimo da se dio rada dobivenog ekspanzijom plina na turbini troši za pogon kompresora. U najjednostavnijim shemama postrojenja plinske turbine ovaj dio čini 70 do 75%, tako da se samo 35 do 30% dobivenog rada na turbini koristi za pogon potrošača. Pošto smjesa produkata izgaranja goriva na bazi ugljikovodika ima specifičnu toplinu cp nižu od one za vodenu paru (skoro 4 puta) obzirom da ispušni plinovi iz turbine izlaze s visokom temperaturom T2, raspoloživi (izentropski) toplinski pad za istu razliku temperatura je jednak 1/4 do 1/6 onoga za vodenu paru. Da bi dobili dovoljno visoku snagu na plinskoj turbini je potrebno značajno povećati maseni protok plinova. Ovaj cijeli problem možemo riješiti mnogo lakše na postrojenjima s plinskom turbinom u zatvorenom procesu (vidi poglavlje 12.7) gdje se maseni protok plina može povećati primjenom viših tlakova plina u cirkulaciji u zatvorenom sustavu. U postrojenju plinske turbine s otvorenim procesom, tlak p1 na ulazu u turbinu određen je tlakom iza kompresora, čiju smo optimalnu vrijednost βopt odredili za određeno postrojenje ovisno o shemi sustava i temperaturama na ulazu u turbinu i ulazu u kompresor, stupnjevima djelovanja turbine i kompresora te nekim drugim faktorima (vidi poglavlje 12.3). U najjednostavnijim izvedbama plinskih turbina s jednim vratilom, optimalni omjer tlakova obično nije viši od βopt = 4 ... 6. Zbog toga je maseni protok kroz turbinu možemo povećati samo povećanjem volumnog protoka, tako da je onda potrebno značajno povećati promjer turbine i visinu lopatica. S druge strane, naprezanja u lopaticama rotora se povećavaju s povećanjem visine lopatica i brzine vrtnje. Prema tome, visina lopatica i brzina vrtnje su dodatni faktori koji ograničavaju snagu turbine. Za razliku od parnih turbina, gdje je snaga turbine ograničena visinom lopatica na zadnjim stupnjevima, snaga plinske turbine je ograničena visinom lopatica prvoga stupnja, obzirom da upravo te lopatice rade na najvišim temperaturama i nalaze se u najtežim radnim uvjetima, tako da su dopuštena naprezanja na njima mnogo manja nego na lopaticama drugoga stupnja. Treba napomenuti da je obrađeni pad entalpije na akcijskom stupnju dvaput veći od onoga za čisti reakcijski stupanj. Kod plinskih turbina velike snage s lopaticama velike visine, za razliku, reakcijski stupnjevi omogućuju viši stupanj djelovanja, obzirom da reakcijske lopatice imaju bolji aerodinamički profil. Za povećanje snage i stupnja djelovanja, postrojenja s plinskom turbinom s otvorenim procesom se izvode s više koncentričnih vratila s kompresijom zraka u više stupnjeva, s izgaranjem u više stupnjeva, regeneracijom itd. Snaga ovakvih turbina može biti ograničena s maksimalnim masenim protokom kompresora, ili kod kompresije u više stupnjeva, s maksimalnim protokom na niskotlačnom kompresoru. Odabir izvedbe s više vratila može biti diktiran i drugim okolnostima od posebnog značaja, naime s mogućnosti da povećamo stupanj djelovanja postrojenja u radu na smanjenim opterećenjima. To se jasno može vidjeti na slici 12.10, koja prikazuje krivulje relativnoga stupnja djelovanja ovisno o opterećenju Pel za tri vrste plinskih turbina; η na slici je stupanj djelovanja pri smanjenom opterećenju, a ηf je isto za puno opterećenje. Može se zapaziti da je smanjenje stupnja djelovanja pri smanjenom opterećenju najmanje kod plinske turbine sa zatvorenim procesom (krivulja 3), čija se snaga regulira s promjenom masenog protoka plina pri konstantnoj temperaturi pred turbinom. Suprotno tome je veliko smanjenje stupnja djelovanja na smanjenom opterećenju kod najjednostavnije turbine s otvorenim procesom i jednim vratilom rotora (krivulja 1), obzirom da se ovdje snaga regulira samo promjenom toplinskog pada Ht u turbini. Da bi to učinili na smanjenom opterećenju, smanjujemo početnu temperaturu plina ispred turbine, čime značajno smanjujemo stupanj djelovanja procesa. Smanjenje stupnja djelovanja je mnogo manje u plinskoj turbini s otvorenim procesom i s dva vratila rotora (krivulja 2). To nam sugerira da postrojenja plinskih turbina s više vratila preporučujemo u slučajevima gdje turbina mora raditi u širokom području opterećenja ili uglavnom na smanjenim opterećenjima.
384
Slika 12.10 Relativni stupanj djelovanja plinske turbine na različitim opterećenjima 1 - najjednostavnija plinska turbina s otvorenim procesom i jednim vratilom rotora, 2 - plinska turbina otvorenog procesa s dva vratila rotora, 3 - plinska turbina sa zatvorenim procesom
Slika 12.11 Principijelna shema plinske turbine s dva vratila rotora
Slika 12.12 Principijelna shema plinske turbine s dva vratila rotora (GT-100-750-2) Najjednostavnija izvedba plinske turbine s više vratila je izvedba s podijeljenim vratilom (slika 12.11). Turbina je podijeljena na dva dijela koji su uzajamno povezani pomoću cijevi. Visokotlačni dio turbine 4 pokreće kompresor 2 i može raditi na proizvoljnoj brzini vrtnje. Niskotlačni dio turbine 5 vrti se na konstantnoj brzini vrtnje radi pogona električnog generatora. Snaga za pogon generatora 6 regulira se uglavnom promjenom masenog protoka kroz niskotlačnu turbinu 5, tako da mijenjamo protok zraka iz kompresora 2 u komoru izgaranja 3. Protok kroz kompresor ovisi o brzini vrtnje visokotlačne turbine 4, koju reguliramo promjenom količine goriva koje dovodimo u komoru izgaranja 3. Turbinu iz mirovanja pokrećemo elektromotorom 1. U tom slučaju se početna temperatura plina ispred turbine 5, koja pokreće električni generator 6, smanjuje manje nego kod plinske turbine s jednim vratilom, tako da se stupanj djelovanja postrojenja može održavati na visokoj razini. S druge strane, obzirom da je turbina podijeljena na dva dijela, postrojenje ponekada ima manji stupanj djelovanja na punom opterećenju. Tipični promjer složenog plinskoturbinskog postrojenja s više vratila je plinska turbina GT-100-750-2. To je plinska turbina s dva vratila za pogon električnog generatora snage 100 MW (slika 12.12). Niskotlačni kompresor 7 ima pogon s vratila niskotlačne turbine 6, koja istovremeno pokreće i električni generator 8. Zrak se u kompresoru 7 tlači na 0.42 MPa. Kapacitet kompresora je 435 kg/s, a
385 njegov stupanj djelovanja je 0.88. Zrak se iza kompresora 7 hladi u hladnjaku 5 i vodi dalje u visokotlačni kompresor 1 u kojemu se zrak tlači na 2.55 MPa. Zrak se vodi u visokotlačnu komoru izgaranja 2. Visokotlačna turbina 3 pokreće visokotlačni kompresor. Plinska turbina ima međuhlađenje zraka između niskotlačnog i visokotlačnog kompresora, kao i izgaranje u dva stupnja. Niskotlačna komora 4 smještena je između plinskih turbina 6 i 3. Temperatura plina ispred turbina pod nazivnim opterećenjem se održava na 1020 K (oko 750 oC). Stupanj djelovanja postrojenja pod tim uvjetima je 0.28. Obzirom da ova plinska turbina nema regeneraciju, toplina ispušnih plinova iz niskotlačne turbine se koristi za grijanje vode u zagrijaču 9 prije nego ispušne plinove ispustimo u okoliš. Za bolji rad sustava grijanja vode, voda se u početku zagrijava u međuhladnjaku zraka 5. Kompresija zraka u dva stupnja s međuhladnjakom i primjena izgaranja u dva stupnja omogućuje postizanje omjera tlakova β = 26, čime je moguće dobiti veliku snagu uz relativno visoki stupanj djelovanja. Primjena izvedbe s dva vratila omogućuje da se visoki stupanj djelovanja održi i na smanjenim opterećenjima. Ove plinske turbine mogu kao gorivo koristiti plinovita ili tekuća goriva.
12.7 Plinske turbine sa zatvorenim procesom Principijelna shema plinske turbine sa zatvorenim procesom prikazana je na slici 12.13. Za razliku od plinskih turbina s otvorenim procesom, ispušni plinovi iz turbine 3, nakon prolaza kroz regenerator 8, se ne odvode u okoliš, već se odvode u hladnjak 4, koji služi kao ponor topline. Plinovi se na taj način ohlade na početnu temperaturu procesa T4 pri tlaku p4. Ohlađeni plinovi se vode u kompresor 5 i komprimiraju se na tlak p5 i temperaturu T5. Plin se iz kompresora vodi kroz regenerator 8, u kojemu temperatura naraste na T6, a tlak zbog gubitaka strujanja padne na p6. U plinskim turbinama sa zatvorenim procesom, komora izgaranja je zamijenjena zagrijačem 1 u kojemu se radni medij (plin ili zrak) zagrijava dovodom topline izvana. Toplinu za grijanje može stvarati izgaranje goriva ili neki drug izvor topline. Temperatura radnog medija povećava se u zagrijaču 1 na T1 pri tlaku p1. Plin s tim parametrima ulazi u turbinu 3 i predaje joj rad u procesu ekspanzije na tlak p2 i temperaturu T2. Nakon toga se cijeli proces ponavlja. Turbina 3 pokreće kompresor 5, a višak snage predaje se za pogon električnog generatora 2. Ugradnjom regeneratora u proces povećavamo stupanj djelovanja i time postižemo smanjenje površina izmjenjivača topline (zagrijača i hladnjaka). Rashladna voda se nakon hladnjaka 4 koristi kao voda za grijanje. Ona se može zagrijati na temperaturu od 200 do 230 oC bez da utječe na stupanj djelovanja postrojenja. Jasno možemo uočiti da se jedna te ista masa radnoga medija vrti u zatvorenom procesu plinske turbine, ako zanemarimo mala propuštanja u sustavu. Ova se propuštanja automatski kompenziraju dodavanjem dodatnog plina iz visokotlačnoga spremnika 6.
Slika 12.13 Principijelna shema plinske turbine sa zatvorenim procesom
386 Snagu plinske turbine reguliramo promjenom tlaka u sustavu, a time i promjenom masenog protoka radnoga medija uz održavanje maksimalnoga omjera tlakova i najniže temperature procesa na konstantnim vrijednostima. Tada toplinski padovi, trokuti brzina i indicirani stupnjevi djelovanja ostaju praktično isti. Kada se opterećenje poveća, automatski sustav regulacije dodaje u sustav određenu masu dodatnog plina iz visokotlačnoga spremnika 6 i na taj način poveća tlak u sustavu. Ako se opterećenje smanjuje, iz sustava se odvodi dio mase radnoga medija u niskotlačni spremnik 7. Visokotlačni spremnik se napaja pomoću malog pomoćnog kompresora koji uzima plin iz niskotlačnoga spremnika i tlači ga u visokotlačni spremnik, u kojemu se tlak održava višim od najvećega tlaka koji se javlja u radu turbine u njenom visokotlačnom dijelu. Zatvoreni termodinamički proces plinske turbine ima određene prednosti u usporedbi s otvorenim procesom: 1. Pouzdanost turbine je znatno viša, a njen životni vijek znatno duži, obzirom da radni medij ne sadrži tvari koje bi mogle izazvati koroziju ili eroziju na dijelovima turbine. 2. Turbine sa zatvorenim procesom mogu raditi na goriva bilo koje vrste ili mogu koristiti druge izvore topline, kao što je na primjer plinom hlađeni nuklearni reaktor. 3. Povećanjem početnog tlaka ispred kompresora moguće je povećati maseni protok u sustavu i na taj način povećati snagu postrojenja. 4. Obzirom da snagu plinske turbine sa zatvorenim procesom reguliramo promjenom tlaka plina u procesu, stupanj djelovanja postrojenja ostaje gotovo konstantan u širokom području opterećenja. 5. Osim zraka mogu se koristiti različiti drugi radni mediji u zatvorenom procesu plinske turbine. Neki od njih imaju pogodna termofizikalna svojstva, primjenom kojih možemo povećati stupanj djelovanja sustava ili donijeti neke druge pogodnosti. U usporedbi s otvorenim procesom, postrojenja plinske turbine sa zatvorenim procesom su mnogo složenija, imaju velike dimenzije za istu snagu, troše više materijala za njihovu izvedbu i mnogo su skuplja. Umjesto komore izgaranja, vrlo malih dimenzija, koriste se zagrijači s vrlo velikim dimenzijama i koji pomalo sliče generatorima pare. Osim toga, sustav sadrži hladnjak zraka kao dodatni dio, čije su dimenzije usporedive s kondenzatorom pare kod parnih turbina. Zbog svih navedenih razloga, postrojenja plinske turbine sa zatvorenim procesom još uvijek ne nalaze širu primjenu, osim u slučajevima kada se kao gorivo koriste nepogodna goriva kao što su biomasa, teška goriva, kruta goriva itd. Glavna karakteristika suvremenih postrojenja s plinskom turbinom u zatvorenom procesu, koja rade s organskim gorivima prikazane su u tablici 12.1. Kako možemo vidjeti, njihove snage najčešće nisu velike, a njihov je stupanj djelovanja mnogo manji od onoga za parne turbine. Plinskoturbinska postrojenja sa zatvorenim procesom u usporedbi s parnoturbinskim postrojenjima imaju mnogo manje dimenzije i manju uporabu materijala za njihovu gradnju, tako da su jeftinije od parnih termoelektrana. Obzirom na te prednosti, ove se plinske turine često koriste za male elektrane koje mogu raditi na lokalna goriva niske kvalitete. U novije vrijeme postrojenja s plinskom turbinom u zatvorenom procesu izazivaju sve veću pozornost obzirom na njihovu moguću promjenu u nuklearnim elektranama s reaktorom koji bi bio hlađen plinom. Termofizikalna svojstva nekih plinova dana su u tablici 12.2. Lista obuhvaća sljedeće plinove: He, Ar, Ne, CO2, N2, koji su inertni na metalne materijale i kod visokih temperatura. To eliminira problem nužne otpornosti na stvaranje naslaga i značajno povećava listu mogućih materijala koje možemo koristiti u gradnji ovih postrojenja. To ujedno omogućuje da možemo značajno povećati temperaturu na ulazu u turbinu. Među plinovima koji su navedeni u tablici 12.2 helij je najpogodniji obzirom na svoja termofizikalna svojstva. Njegova specifična toplina je oko 4.5 puta veća od one za zrak, Zbog toga za istu razliku temperatura, od temperature T1 na ulazu u turbinu do temperature T2 na izlazu iz turbine helij može imati mnogo viši toplinski pad H0t od onoga za zrak.
387 Tablica 12.1 Glavne karakteristike postrojenja plinske turbine sa zatvorenim procesom pri radu na organska goriva Proizvođač Karakteristika
Gorivo
Prirodni plin
Ugljen
Ugljen
Plin iz peći
Ugljen
Ugljen
Snaga, kW Ulazna temp. u kompresor, K Ulazni tlak u kompresor, MPa Ulazna temp. u turbinu, oC Ulazni tlak u turbinu, MPa St. djelovanja na sabirnicama generatora, % Brzina vrtnje generatora, s-1 Vrsta kompresora Dovod topline, GJ/h U radu od
Centrifugalni
Aksijalni i centrifugalni
Plin iz peći i tekuće gorivo
Tekuće gorivo i plin
Plin iz peći
Aksijalni
Helij kao radni medij
Tablica 12.2 Termofizikalna svojstva plinova pri tlaku od 0.1 MPa Zrak Molarna masa µ, kg/kmol Plinska konstanta R, kJ/kg.K Eksponent adijabate κ Brzina zvuka a, m/s Specifična toplina cp, kJ/kg.K Toplinska vodljivost λ, W/m.K 'apomena: Brojevi u nazivniku odnose se na temperaturu 20 oC, a oni u brojniku na 600 oC
Helij je jednoatomni plin, tako da njegova specifična toplina ne ovisi o temperaturi. Toplinska vodljivost helija je gotovo 6 puta veća od one za zrak, što nam omogućuje da značajno smanjimo dimenzije izmjenjivača topline, obzirom da toplinska vodljivost plina izravno utječe na koeficijent prijenosa topline. Sljedeće važno svojstvo je da je brzina zvuka u heliju oko tri puta veća od one za zrak, tako da možemo značajno povećati obodnu brzinu na rotorima kompresora i turbine bez rizika da nam se pojave udarni valovi u strujanju fluida. Nedostatak helija je u velikoj fluidnosti, zbog čega treba mnogo veću pažnju posvetiti brtvljenju turbine i druge opreme u zatvorenom procesu plinskoturbinskog postrojenja. Pored toga, helij je mnogo skuplji i nije ga moguće uvijek nabaviti, za razliku od ostalih plinova u tablici 12.2.
388
Slika 12.14 Principijelna shema plinskoturbinskog postrojenja sa zatvorenim procesom i helijem kao radnim medijem, snaga 50 MW, Oberhausen, Njemačka Prvo postrojenje s plinskom turbinom u zatvorenom procesu s helijem izgrađeno je 1961. godine u Oberhausenu u Njemačkoj. Turbine su imale snagu od 14 MW sa stanjem na ulazu u turbinu 983 K pri 3.2 MPa. Iskustva stečena u gradnji prve takve elektrane iskorištena su u gradnji druge iste elektrane sa snagom od 50 MW, koja je stavljena u pogon 1974. godine. Njene glavne karakteristike prikazane su u tablici 12.1, a principijelna shema postrojenja prikazana je na slici 12.14. Postrojenje je izvedeno s plinskom turbinom s dva vratila. Jedno vratilo rotora spaja visokotlačnu turbinu 3 s kompresorima niskog 1 i visokoga 2 tlaka, koji se vrte pri 90 s-1 (5400 min-1). Niskotlačna turbina 5 na drugom vratilu pokreće generator 6 pri brzini vrtnje 50 s-1 (3000 min-1). Vratilo turbine spojeno je na generator pomoću reduktora 4 i sve vrijeme se vrti konstantnom brzinom vrtnje. Cjevovod za napajanje turbine helijem izveden je po principu "cijev u cijevi". Helij iz zagrijača prolazi unutarnjom cijevi, dok se hladni helij iz visokotlačnoga kompresora vodi kroz prstenasti prostor između unutarnje i vanjske cijevi. Na ulazu u visokotlačnu turbinu helij ima temperaturu 750 oC pri tlaku 2.7 MPa. Nakon ekspanzija u obje turbine, temperatura helija je 460 oC i on pri toj temperaturi ulazi u regenerator 8, nakon kojega pri temperaturi 150 oC ulazi u hladnjak 11 koji služi kao zagrijač vode. Voda se prije toga zagrijava u međuhladnjaku 10 i drugim izmjenjivačima topline. Toplina se u postrojenju ne koristi samo u obliku tope vode već i kao niskotlačne zasićene pare. Ukupni kapacitet zagrijavanja u postrojenju je 193 GJ/h. Nakon hladnjaka 11, helij se pri temperaturi od 25 oC i tlaku 1.05 MPa dovodi u niskotlačni kompresor u kojemu se tlak podiže na 1.55 MPa. U međuhladnjaku se helij ohladi na 25 do 83 oC, nakon čega se dovodi u visokotlačni kompresor 2 u kojemu se tlak podiže na 2.85 MPa. Stlačeni helij se vodi u regenerator 8 u kojemu se zagrijava s temperature 125 oC na 420 oC. Plinska turbina je izvedena s tri kućišta kuglastog oblika (slika 12.15). Kućišta su zavarena iz prethodno kovanih dijelova. Visokotlačni kompresor ima 15 stupnjeva, niskotlačni kompresor 7 stupnjeva. Rotor visokotlačnoga kompresora je izveden kao bubanj, izrađen sastavljanjem otkivaka iz niskolegiranog čelika. Otkivci su povezani vijcima na rotor visokotlačne turbine koji je izrađen kao sastavljeni rotor s diskovima iz austenitnog čelika. Protok helija u nazivnim radnim uvjetima (puno opterećenje) je 84 kg/s. Gorivo koje se koristi je plin iz peći, koji izgara u zagrijaču 7. Opterećenje turbine se regulira promjenom protoka helija na dva načina. Po prvom načinu, optočni (by-pass) ventil 9 na slici 12.14 se otvara kako bi dio helija (do jedne trećine ukupnog protoka) propustio mimo turbine u krug ispred hladnjaka 11. Optočni ventil se obično otvara kada treba nago rasteretiti plinsku turbinu. Zatvaranjem optočnog ventila snaga može naglo porasti. Ovaj način upravljanja osigurava visoku manevrabilnost postrojenja, ali pogoršava stupanj djelovanja obzirom da pri otvorenom optočnom ventilu kompresor i dalje radi punim kapacitetom i troši veliku snagu. Zbog tih razloga ovakva regulacija nije pogodna za duži rad postrojenja.
389
390
Slika 12.15 Postrojenje plinske turbine sa zatvorenim procesom s helijem u elektrani u Oberhausenu a - niskotlačni kompresor, b - visokotlačna turbina i kompresor, c - niskotlačna turbina
U slučaju kada turbina treba raditi duže vremena, koristimo drugi način regulacije, koji mijenja maseni protok kroz turbinu i u cijelome sustavu, na način da se iz sustava odvodi ili se u njega dovodi masa helija i na taj način mijenja trenutna masa helija unutar proces. U elektrani u Oberhausenu helij je pohranjen u pet spremnika (B1 - B5 na slici 12.14). Helij se uzima iz procesa i odvodi u niskotlačne spremnike s mjesta iza visokotlačnoga kompresora 2 ili ispred niskotlačnoga kompresora 1. Helij se u proces dodaje ispred hladnjaka 11. Za dodavanje služe dva pomoćna kompresora 12 čiji je kapacitet takav da se puna snaga može postići za najviše 5 minuta. Od posebnog značaja za primjenu u zatvorenim procesima su plinovi koji mogu disocirati, kao što su N2O4, Al2Cl6, Al2Br6 itd., koji se zagrijavaju u kompresoru, disociraju u jednostavnije sastojke uz apsorpciju velikih količina topline. Na taj je način moguće smanjiti snagu za pogon kompresora i time povećati efektivnu snagu i stupanj djelovanja. Hlađenjem disociranog plina u hladnjaku dolazi do rekombinacije molekula uz oslobađanje topline. Među navedenim plinovima, dušikov tetraoksid je najizgledniji za takvu primjenu.
12.8 Postrojenje plinske turbine sa zatvorenim procesom za nuklearne elektrane U novije se vrijeme provode intenzivna istraživanja u većem broju zemalja obzirom na mogućnost da se izvede plinskoturbinsko postrojenje sa zatvorenim procesom s korištenjem topline iz nuklearnoga reaktora. Najizgledniji radni medij za takve namjene je helij, koji je idealno inertni plin i ima vrlo pogodna termofizikalna svojstva (tablica 12.2). Helij ima i svojstva malog poprečnog presjeka za hvatanje neutrona, tako da se ne aktivira izlaganjem nuklearnom zračenju u nuklearnom reaktoru. Ova činjenica nam omogućuje da se izvedu ne previše složena postrojenja s relativno niskom cijenom. Shema ideje jednoga takvog postrojenja prikazana je na slici 12.16 za nuklearnu elektranu snage 300 MW sa zatvorenim procesom s helijem. Helij se u reaktoru A zagrijava na temperaturu od 800 oC pri tlaku 5.88 MPa i odvodi se u plinsku turbinu T u kojoj ekspandira na tlak 2.18 MPa temperaturu 485 o C. Plin se nakon toga odvodi u regenerator R i hladnjak GC u kojemu se hladi na temperaturu od 15
391 o
C. Ohlađeni helij se pri tlaku 2.18 MPa vodi u prvi niskotlačni kompresor, međuhladnjak, pa u drugi kompresor s međuhlađenjem i konačno treći kompresor. Helij se sada pod tlakom 6.14 MPa i na temperaturi od 42 oC odvodi u regenerator R u kojemu će se zagrijati na 460 oC i dalje se odvodi u reaktor A.
Slika 12.16 Zatvoreni proces plinske turbine u nuklearnoj elektrani snage 300 MW Ovisno o snazi i parametrima plina, plinsku turbinu sa zatvorenim procesom možemo izvesti s jednim ili više vratila. Varijanta s dva vratila se može izvesti s više kućišta turbine. Visokotlačna turbina tada služi za pogon visokotlačnih kompresora, a niskotlačna turbina pogoni niskotlačne kompresore i generator. Snaga za jednu plinsku turbinu u takvom postrojenju može biti do 1200 - 1500 MW. Očekuje se da bi stupanj djelovanja mogao biti ηel = 40-42%, a u nekim slučajevima može dosegnuti 46-49% pri relativno niskim temperaturama plina od 800 oC. Za istu snagu nuklearne elektrane postrojenje s plinskom turbinom može biti mnogo manjih dimenzija od parnoturbinskog postrojenja. Potrošnja rashladne vode u nuklearnoj elektrani s plinskom turbinom u zatvorenom procesu je 2 do 4 puta manja nego za parnoturbinsko postrojenje. Voda nakon hlađenja plina ima visoku temperaturu (105 oC) i može se efikasno koristiti za potrebe grijanja i ne utječe na stupanj djelovanja procesa. Praktične izvedbe nuklearnih elektrana sa zatvorenim procesom i plinskom turbinom još uvijek su suočene s brojnim neriješenim problemima. Jedan od njih je na primjer u tome kako garantirati potrebnu pouzdanost rada i kako spriječiti potpuni gubitak helija iz sustava.
12.9 Kombinirana postrojenja plinske i parne turbine Plinskoturbinska postrojenja imaju karakteristično veliki protok ispušnih plinova s vrlo visokom temperaturom od 400 do 550 oC. Toplina tih ispušnih plinova može se koristiti u utilizacijskom kotlu za proizvodnju zasićene i pregrijane pare niskih parametara koja se može koristiti kao procesna para ili u kotlovima za pripremu vrele vode sa zagrijavanjem do 150 oC ili više. Pored toga, može se koristiti i toplina koju je voda pokupila na sebe hlađenjem zraka u međuhladnjacima. Kod plinskih turbina s regeneracijom, generator pare koji koristi otpadnu toplinu ispušnih plinova ugrađuje se odmah nakon regeneratora. Dodavanje tih utilizacijskih kotlova povećava gubitke strujanja na putu plinova i mogu smanjiti efektivni stupanj djelovanja procesa za približno 1 - 2%. Treba nam isto tako biti jasno da ovi pomoćni uređaji poskupljuju postrojenje i povećavaju njegovu investicijsku cijenu. Zbog toga je potrebno problem korištenja utilizacijskih kotlova ili zagrijača vode riješiti za pojedine slučajeve primjenom tehničko-ekonomske analize uz uzimanje u obzir svih potrebnih utjecajnih faktora. U plinskim turbinama sa zatvorenim procesom, ulogu zagrijača vode imaju hladnjaci zraka (vidi poglavlje 12.7). Ova jedinica postrojenja ne povećava niti gubitke strujanja niti kapitalna ulaganja, tako da se uvijek isplati. Primjena utilizacijskih kotlova kod plinskih turbina je moguća u principu za bilo koji raspored električnih opterećenja (osnovno, polu-vršno i puno vršno). Utilizacijski kotao treba raditi na odgovarajući način pri: 1. čistom režimu utilizacije, tj. bez dodatnog loženja generatora pare, 2. u režimu s dodatnim loženjem, tako da se u struju ispušnih plinova dodaje gorivo koje se izgaranjem veže na slobodni kisik uz oslobađanje dodatne topline,
392 3.
u režimu uz dodatno loženje odvojeno od struje ispušnih plinova, gdje se za loženje dovode posebni zrak i gorivo.
Posljednji od ova tri režima rada se predviđa tamo gdje je potrebno pokrivati vršna opterećenja. Kapacitet proizvodnje pare u utilizacijskom kotlu prikazujemo jednadžbom:
Qwb = m& s (hs − h fw )
( 12.65 )
& s , kg/s s entalpijom hs, gdje je Qwb toplinski tok potreban za stvaranje pare s masenim protokom m kJ/kg, a hfw je entalpija napojne vode na ulazu u generator pare. S druge strane, toplinski tok koji su ispušni plinovi predali generatoru pare je:
Qwg = m& g c pga (Tg , in − Tg , ex )η wb
( 12.66 )
& g maseni protok ispušnih plinova u kotlu, kg/s, Tg,in i Tg,ex su temperature ispušnih plinova na gdje je m ulazu i na izlazu iz generatora topline, cpga je srednja vrijednost specifične topline plina na rasponu temperatura u utilizacijskom kotlu pri konstantnom tlaku; ηwb je stupanj djelovanja kotla. Kada kotao radi u režimu s dodatnim loženjem, tada maseni protok plinova i temperaturu na ulazu u kotao u jednadžbi (12.66) treba usvojiti uzimajući u obzir i maseni protok goriva i svježega zraka za izgaranje. Zajedničko rješenje jednadžbi (12.65) i (12.66) daje nam kapacitet proizvodnje pare u utilizacijskom kotlu:
m& v =
m& g c pga (Tg ,in − Tg , ex ) hs − h fw
η wb
( 12.67 )
Toplina ispušnih plinova se može najbolje iskoristiti pri nižim temperaturama plinova na izlazu iz utilizacijskog kotla. Minimalna temperatura s kojom izlazimo iz utilizacijskog kotla i iz zagrijača vode ovisi o vrsti goriva koje se koristi i utvrđena je na način da se izbjegne djelovanja niskotemperaturne korozije na metalnim površinama u svim uvjetima rada. Razlika minimalne i sigurne temperature na hladnom kraju pri izlazu ispušnih plinova je u prosjeku 30-40 oC. Primjena zagrijača vode je najdjelotvornija u plinskim turbinama za bazna opterećenja. Proračuni pokazuju da su moguće značajne uštede goriva i na postrojenjima koja pokrivaju vršna i poluvršna opterećenja ako vrijeme rada pod punim opterećenjem nije kraće od 1500 h/a (sati godišnje). U tom slučaju plinskoturbinsko postrojenje treba opremiti dodatnim akumulatorima topline (u obliku spremnika velikoga kapaciteta) za kontinuiranu dobavu topline potrošačima i čim bolje korištenje raspoloživih otpadnih toplina ispušnih plinova. Principijelni dijagram plinskoturbinskog postrojenja za kombiniranu proizvodnju električne energije, procesne pare i vrele vode prikazan je na slici 12.17. Električnu energiju proizvodi generator 5 kojega pokreće plinska turbina 4. Procesnu paru stvara utilizacijski kotao 8, a vrelu vodu za grijanje proizvodi zagrijač vode 11. Voda se dijelom zagrijava u međuhladnjaku zraka 6 koji je smješten između niskotlačnoga i visokotlačnog kompresora 1 i 2. Voda koja prolazi kroz sekciju 7 hladi se u rashladnom tornju. Podjela međuhladnjaka u dva dijela, 6 i 7, omogućuje da se zrak efikasno hladi na zadanu temperaturu te da se dijelom iskoristi toplina rashladne vode nakon hladnjaka zraka. Ostali elementi prikazani na slici 12.17 su: 3 - komora izgaranja, 9 - posebni bubanj kotla, 10 - cirkulacijska pumpa kotla, 12 - pumpa vrele vode.
393 Gorivo
Para za potrošače
Zrak Voda za rashladni toranj
Sustav vrele vode Ispušni plinovi u okoliš
Slika 12.17 Principijelna shema plinskoturbinskog postrojenja za istovremenu proizvodnju električne energije, vrele vode i procesne pare Protok vode u sustavu zagrijavanja vode možemo naći po jednadžbi sličnoj (12.67):
m& sw =
m& g c pga (Tg ,in − Tg , ex ) ηh cw (T1 − T2 )
( 12.68 )
gdje su T1 i T2 temperature vode na ulazu i na izlazu iz zagrijača, cw je specifična toplina vode i ηh je stupanj djelovanja zagrijača vode. U bilanci topline za sustav vrele vode za grijanje imamo temperature T1 = 150 oC i T2 = 70 oC, iako se one mogu i mijenjati, ovisno o potrebama potrošača topline. Obzirom da temperatura T1 gotovo nema utjecaja na plinskoturbinsko postrojenje, u mnogim se slučajevima isplati dignuti je na 200 do 230 oC. Ako s vodom prolazimo najprije kroz međuhladnjak zraka (na plinskim turbinama s kompresijom u više stupnjeva), ona će se tamo zagrijati za 10 do 15 oC, pa tada u jednadžbi (12.68) uzimamo da je T2 = 80-85 oC. Trend poboljšanja tehničko ekonomskih parametara potaknuo je razmišljanja o kombiniranim postrojenjima plinske i parne turbine pri kojemu se mogu najdjelotvornije iskoristiti prednosti obje vrste strojeva. U svijetu su izvedena brojna postrojenja sa snagama od 12 MW do 500 MW s visokotlačnim generatorima pare. Prikupljeno iskustvo je ukazalo na visoki stupanj djelovanja i veliku pouzdanost u radu na plinovita goriva. Pozitivna iskustva su prikupljena u radu na tekuća goriva s visokim sadržajem sumpora i niskim sadržajem pepela i vanadija. Izvršeni su i pokusi sa izgaranjem teških tekućih goriva. Na slici 12.18 prikazana je shema jednog takvog kombiniranog postrojenja s plinskom turbinom ukupne snage 200 MW. Postrojenje sadrži sljedeće glavne dijelove: visokotlačni pare s međupregrijanjem, koji proizvodi 450 do 500 t/h pare pri tlaku 14.0 MPa i 570/570 turbina s parametrima pare 13.0 MPa i 565/565 oC te plinsku turbinu s tlakom 0.65 MPa Parna turbina ima snagu 165 MW, dok plinska turbina ima snagu od 35 MW.
i parnom generator o C, parna i 770 oC.
Postrojenje radi na sljedeći način. Zrak iz okoliša se u kompresoru 1 komprimira na tlak od 0.6 do 0.67 MPa i dobavlja ga u ložište generatora pare 10, kamo se dovodi plinovito ili tekuće gorivo. Izgaranje goriva u ložištu se vrši pri temperaturi od oko 2000 oC a produkti izgaranja napuštaju generator pare pri temperaturi 770 oC. Toplina produkata izgaranja se koristi za proizvodnju pregrijane pare koja se dovodi u parnu turbinu pri 13.0 MPa i 565 oC, u kojoj će ekspandirati do vrlo niskoga tlaka u kondenzatoru 14.
394
Slika 12.18 Principijelna shema kombiniranog postrojenja plinske i parne turbine Kondenzat se pumpom kondenzata 13 dobavlja kroz niskotlačne zagrijače 12 i 7 i ekonomajzer 6 s tri stupnja u otplinjač 11. Voda iz otplinjača se napojnom pumpom 8 kroz visokotlačni zagrijač 9 i 2. i 3. stupanj ekonomajzera, 4 i 5,u kojima se zagrijava do temperature vrenja, nakon čega voda ulazi u krug isparavanja. Time se zatvara krug pare u sustavu. Dio postrojenja vezan za plinsku turbinu radi s otvorenim procesom. Ispušni plinovi iz generatora pare 10 se pri tlaku 0.54 MPa i temperaturi 770 oC dovode na plinsku turbinu 2 u kojoj će ekspandirati na tlak okoline. Ispušni plinovi izlaze z turbine pri temperaturi 445 oC i odvode se u ekonomajzer 4-6 gdje svoju toplinu predaju rashladnoj vodi, nakon čega se ohlađeni na 140 oC izbacuju u okoliš. Plinska turbina 2 pokreće kompresor 1 i električni generator 3. Opisano postrojenje izgrađeno je u današnjoj Rusiji 1973. godine. postignuti stupanj djelovanja je iznosio 37 do 40%. Postrojenje se je pokazalo kao vrlo pouzdano. Ovakvo kombinirano postrojenje troši 6-8% manje goriva nego čista parnoturbinska elektrana. To možemo objasniti na sljedeći način: Kombinirano postrojenje sastoji se iz dvije povezane jedinice: plinske i parne turbine. Obzirom da plinska turbina koristi više temperature (700-800 oC) nego su to temperature u parnoturbinskom postrojenju (540-565 oC), tako da se prosječna temperatura dovoda topline u proces podiže u usporedbi s procesom parne turbine. U opisanom postrojenju se toplina ispušnih plinova iz plinske turbine koristi za predgrijanje napojne vode kotla. Rezultat toga je da se ispušni plinovi ispuštaju u okoliš pri mnogo nižoj temperaturi nego što je klasični ispuh iz plinske turbine. Treba napomenuti da se visoka početna temperatura izgaranja u generatoru pare (oko 2000 oC) smanjuje na temperaturu od 770 oC na ulazu u plinsku turbinu bez potrebe da dodajemo sekundarni zrak, kao što je to slučaj kod klasične plinske turbine. Pošto se izgaranje goriva odvija pri visokom tlaku od 0.6-0.7 MPa, time je povećan koeficijent prijelaza topline, kao i brzinu izgaranja u ložištu. Na taj je način moguće smanjiti ogrjevne površine za 50-60%, a time i masu i dimenzije generatora pare, tako da je on jeftiniji nego kod klasičnih postrojenja. Specifična masa kombiniranog postrojenja je u ovom slučaju 17.9 kg/kW, dok je specifična masa parnoturbinskog postrojenja iste snage jednaka 28.4 kg/kW. Nedostatak ovih generatora pare s ložištem pod tlakom je da smiju koristiti samo skupa goriva namijenjena plinskim turbinama. Možemo napomenuti da su, za razliku od opisanog, razvijene i brojne druge izvedbe kombiniranih postrojenja, među kojima su najraširenije sljedeće izvedbe:
395 1. 2.
3.
Kombinirano postrojenje s parnom turbinom koju pokreće para proizvedena u utilizacijskom kotlu na ispušne plinove plinske turbine. O takvom postrojenju je već bilo govora. Kombinirano postrojenje s ispušnim plinovima iz jedne ili više plinskih turbina koji se odvode u generator pare s dodatnim loženjem. Zbog održavanja niske temperature na ulazu u plinsku turbinu, namjerno se miješa dodatni zrak u produkte izgaranja iz komore izgaranja plinske turbine. Takvi ispušni plinovi imaju još uvijek visoki udio slobodnog kisika i odgovaraju izgaranju goriva pri pretičku zraka od 4 do 8. Bitna prednost ovih izvedbi je da u ložištu generatora pare možemo kao gorivo izgarati bilo koja goriva, koja se inače ne bi mogla koristiti u plinskim turbinama. Parna turbina kojoj se napojna voda prije generatora pare zagrijava do točke vrenja pomoću topline ispušnih plinova iz plinske turbine.
Principijelna shema i proces kombiniranog postrojenja s dovodom ispušnih plinova plinske turbine u utilizacijski kotao prikazana je na slici 12.19. Ispušni plinovi iz plinske turbine odvode se u utilizacijski kotao 5 pri temperaturi od oko 700-800 oC uz maseni udio slobodnog kisika u ispušnim plinovima od 0.14-0.18. Dio topline ispušnih plinova predaje se vodi i vodenoj pari kojom se pokreće parna turbina 9. Po potrebi se u ispušne plinove iz plinske turbine u ložištu utilizacijskog kotla može vršiti izgaranje dodatnog goriva za intenziviranje proizvodnje pare. Shema parnoga dijela postrojenja jednaka je uobičajenim izvedbama s regenerativnim zagrijavanjem napojne vode. shemi prikazanoj na slici 12.19, kondenzat se grije parom propuštenom na brtvama parne turbine 9 u niskotlačnom zagrijaču vode 10 i ispušnim plinovima iz parnoga kotla 5 u donjem stupnju zagrijača vode na ispušne plinove 7. Napojna voda se dalje zagrijava u visokotlačnom zagrijaču 8 i gornjem stupnju izmjenjivača topline 6.
Slika 12.19 Kombinirano postrojenje plinske i parne turbine a - shema, b - T-s dijagram proces
396 Za neovisni rad plinskoturbinskog postrojenja 1 i parnoturbinskog postrojenja 9 shema postrojenja sadrži i rezervno puhalo 4 i glavne ventile 2 i 3 u cjevovodima plina i zraka. Postrojenje plinske turbine može raditi neovisno kada je to potrebno s odvodom ispušnih plinova kroz glavni ventil 2 u okoliš. Postrojenje s parnom turbinom može isto tako djelovati samo za sebe. U tom slučaju u ložište generatora pare 5 dovodimo zrak pomoću rezervnog puhala. Na ovoj shemi kombiniranog postrojenja, parna turbina može nositi osnovno opterećenje, dok se plinska turbina može brzo staviti u pogon i pokriti vršna opterećenja. T-s dijagram na slici 12.19b prikazuje proces 1-2-3-4-1 postrojenja plinske turbine, koji predstavlja gornji proces u kombiniranom postrojenju. Kada pri konstantnom tlaku odvodimo toplinu na dijelu 1-4 (trokut 4-7-8) dio topline se koristi u donjem procesu parne turbine m-b-c-d-e-f-g-l-m. Toplina odvedena u okoliš (atmosferu) prikazana je trokutom 1-8-9. Trokut 4-5-6 predstavlja količinu topline koja se oslobađa loženjem dodatnog goriva u ložištu generatora pare.