Газотурбинное топливо: Газотурбинное топливо | это… Что такое Газотурбинное топливо?

Каталожные номера

1. ↑ Wikimedia Commons [онлайн], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/56/J85_ge_17a_turbojet_engine.jpg
2. ↑ ^{2.0 2.1 2.2} Мозг, Маршалл. «Как работают газотурбинные двигатели» 1 апреля 2000 г. HowStuffWorks.com. [Онлайн], Доступно: 28 мая 2015 г.
3. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
4. ↑ The Atlantic, Один двигатель Боинга 777 в два раза мощнее всех двигателей Титаника [онлайн], доступно: http://www.theatlantic.com/technology/archive/2011/12/a-single-boeing- 777-двигатель-обеспечивает-вдвое-мощнее-всех-титаников/250698/

Технологические достижения в области газовых турбин, которые могут повысить их актуальность в будущем

Газовые турбины стали отличительной чертой современной энергетической системы благодаря их высокой эффективности, надежности, эксплуатационной гибкости, топливной гибкости и вариантам питания с низким уровнем выбросов. Но если газовые турбины должны оставаться актуальными в условиях ожидаемого распространения возобновляемых источников энергии, хранения энергии и обезуглероженного газа, включая водород, аммиак, синтетический метан и другие экологически чистые виды топлива, исследования и разработки (НИОКР) для обеспечения новых приложений должны быть высоким приоритетом. , мировая индустрия газовых технологий уступает.

По данным ETN Global, базирующейся в Брюсселе некоммерческой торговой группы, представляющей всю цепочку создания стоимости газотурбинных технологий, будущие области применения газовых турбин будут включать гибридизацию газотурбинных технологий с возобновляемыми источниками энергии и хранилищами, а также их модернизацию, чтобы они могли сжигать большие объемы. водорода и других возобновляемых видов топлива. Но современные газовые турбины также должны работать с повышенной энергоэффективностью и производительностью, а также быть еще более гибкими в эксплуатации. Наконец, наряду со снижением выбросов углерода на существующих объектах, будущие системы должны стремиться к нулевым выбросам или интегрировать решения по улавливанию, использованию и хранению углерода (CCUS).

ETN изложила свои рекомендации по техническим областям газовых турбин, которые заслуживают приоритета НИОКР, в опубликованном раз в два года отчете за июль. Рекомендации были подготовлены разнообразным советом, в который входят ученые из европейских учреждений; коммунальные услуги, включая Enel и Uniper; производители газовых турбин, такие как Siemens Energy, Ansaldo Energia и Baker Hughes; энергетические компании, в том числе Equinox и TotalEnergies; и государственные исследователи, например, из Национального центра аэронавтики и космических исследований Германии и Норвежского исследовательского центра.

В отчете правление освещает недавние экологические события в Европе, которые ставят новую актуальность и предъявляют новые требования к развитию технологий. К ним относятся надвигающийся поэтапный отказ от угля и атомной энергии, амбициозные рамки политики нулевых выбросов, новые стратегии сокращения выбросов водорода и метана, пересмотр Директивы о промышленных выбросах и появление устойчивого финансирования. Ниже приводится общий обзор технических областей, освещенных в отчете.

Значение повышенной операционной гибкости

В то время как меняющийся энергетический ландшафт потребует опоры на газовые турбины открытого цикла (OCGT) или газовые турбины с комбинированным циклом (CCGT) для обеспечения гибкого резерва в ближайшем будущем, в долгосрочной перспективе исследования газовых турбин должны поддерживать расширенные возможности. для быстрого изменения нагрузки. «В дополнение к частичной диспетчеризации [системы возобновляемых источников энергии] электростанции, основанные на технологии, основанной на ГТ, должны будут быстро запускаться и останавливаться (недавно построенные электростанции комбинированного цикла имеют 15–30 минут горячего пуска, 60 минут прогрева). пуске), реагировать на изменения нагрузки (в некоторых тематических исследованиях предлагается до 40–50 МВт/мин), сводя к минимуму влияние на срок службы компонентов и выбросы», — говорится в отчете. Это потребует тщательного изучения как на уровне компонентов («дизайн для жизни»), так и на системном уровне (включая, например, интеграцию с батареями, хранением сжатого или сжиженного воздуха, а также системами Power-to-X-to-Power). [Фигура 1]).

Однако при быстром циклировании также потребуются улучшения сгорания для сокращения выбросов. Конструктивные изменения, направленные на устранение усталости материалов и компонентов, также должны быть приоритетом, говорится в отчете, при этом отмечается «вероятность серьезных повреждений, таких как накопление повреждений на компонентах тракта горячего газа, деградация теплозащитных покрытий, усталостная усталость лопаток турбины, растрескивание и износ камеры сгорания». Этот аспект усугубляется новыми требованиями по сокращению капитальных и эксплуатационных расходов, чтобы сохранить конкурентоспособность газовых турбин на беспощадном рынке. НИОКР необходимо будет сосредоточить на всей установке, включая нижний цикл. Появляющимися конкурентами классическому пароводяному циклу до сих пор являются органические циклы Ренкина и циклы на основе диоксида углерода (CO2) (либо чистые, либо с добавками, Ренкина и Брайтона) с различными конфигурациями циклов. Однако эксплуатационная гибкость в настоящее время обеспечивается цифровыми инструментами, в том числе передовыми приборами и новыми сенсорными технологиями.

Повышение эффективности производства электроэнергии

В то время как производители оригинального оборудования (OEM) сообщают, что газовые турбины большой мощности теперь могут достигать эффективности более 42,5% (стандарт ISO) в конфигурации простого цикла и более 62,5% в режиме комбинированного цикла. , средний КПД новых установок в Европе «намного ниже (~50%), чем вышеприведенные значения», отмечается в отчете. Эффективность также снижается из-за частой работы в условиях частичной нагрузки. Из-за присущих термодинамических и материальных ограничений «некоторые представители отрасли уже призывают к другим циклам», таким как цикл Брайтона с повторным нагревом, для будущих ПГУ.

Между тем, несмотря на беспрецедентную оптимизацию конструкции газовых трактов компрессоров и турбин, дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто за счет контроля зазора турбины. «Необходимы будущие системы, способные дополнительно свести к минимуму утечку через наконечники в компрессоре и, что более важно, в турбине, избегая при этом физического контакта между вращающимися и неподвижными частями», — говорится в отчете. Повышение эффективности также может быть достигнуто за счет улучшенной конструкции вторичного газового тракта, многоцелевой топологической оптимизации и активного управления охлаждающими потоками. Другие возможности также могут существовать для «одинарного давления, повторного нагрева донных циклов с докритическим или сверхкритическим давлением свежего пара и, возможно, сжигания в воздуховоде для повышения гибкости».

Адаптация к расширенному топливному спектру

Газовые турбины сегодня в основном используют в качестве топлива природный газ, но OEM-производители предприняли усилия, чтобы сделать их гораздо более гибкими в отношении топлива, а некоторые даже разработали планы по переходу на 100% водород горение. В отчете отмечается: «Смеси топливных газов (синтез-газ, водород) и разбавители (CO ₂ , H ₂ O) появляются на сцене как новые процессы на основе газовых турбин и новые топливные ресурсы (биотопливо, сланцевый газ, СПГ [ сжиженный природный газ]) предлагаются для производства электроэнергии и промышленных применений». Спектр также включает в себя новые углеродно-нейтральные продукты, такие как биомасса в жидкость и мощность в X.

Однако эти перспективы могут добавить новые эксплуатационные проблемы, такие как проблемы со стабильностью пламени и соблюдением требований по выбросам. Проблемы также могут «усугубиться, если будут рассмотрены процедуры перехода на гибкое топливо».

Борьба с бременем выбросов

Уровни выбросов оксида азота (NO _x ) газовых турбин за последние несколько десятилетий постоянно снижались из-за строгих стандартов. Тем не менее, все больше и больше проектов принимают 15 частей на миллион (ppm) NO 9.0133 x в качестве цели излучения. Тем временем в некоторых регионах даже запрашивались однозначные уровни ppm NO _x . Задачи, стоящие перед газотурбинной технологией, заключаются в том, чтобы решить проблемы ограничения выбросов при частичной нагрузке и в схемах динамической работы, а также при использовании жидкого топлива, водорода и топливных газов с высоким содержанием водорода. В отчете отмечается, что альтернативы традиционному сжиганию бедных премиксов оказались многообещающими.

Сокращение выбросов CO ₂ , с другой стороны, может быть достигнуто за счет повышения эффективности, гибридизации процессов, использования топлива с низким содержанием углерода или интеграции CO ₂ технологии захвата. Среди рассматриваемых вариантов — интеграция улавливания CO ₂ в производство электроэнергии на основе возобновляемых видов топлива (например, биотопливо), что «приводит к отрицательным выбросам CO ₂ и может быть интересным вариантом при рассмотрении торговли выбросами как части бизнес-план.»

Однако для интеграции улавливания CO ₂ с дожиганием в газовые турбины потребуется выбрать подходящую технологию, оптимизирующую интеграцию при сохранении гибкости установки. Варианты, которые следует дополнительно изучить, включают интеграцию «традиционной» аминовой очистки после сжигания или других технологий на жидкой основе для минимизации затрат и потерь энергии. Альтернативные технологии улавливания после сжигания, такие как циклы с кальциевой петлей или твердые сорбенты с использованием концепций колебаний давления или температуры, могут позволить улучшить интеграцию тепла (что приведет к снижению эксплуатационных расходов). Другие варианты включают рециркуляцию выхлопных газов, в том числе «расширенные» варианты рециркуляции, в которых используется CO 9. 0133 2 разделительные мембраны).

Усовершенствованные циклы многообещающи

В отчете заметно пессимистичный взгляд на то, что постепенное повышение эффективности газовых турбин и технологический скачок в ближайшем будущем позволят достичь строгих целей по выбросам углерода, установленных, например, Европейской комиссией на 2030 год. Газовая энергия по-прежнему играет решающую роль в обеспечении резервного питания и стабилизации энергосистемы. Вот почему значение продвинутых циклов растет, говорится в нем.

«Расширенные циклы являются одним из ключевых элементов для соответствия растущим требованиям, а различные технологии предоставляют возможности как с чисто термодинамической точки зрения, так и с точки зрения системной интеграции». Однако и здесь возникают серьезные проблемы: «Большинство газовых турбин (ГТ) с усовершенствованными циклами взаимосвязаны с другими системами и компонентами или даже с такими процессами, как высокотемпературные топливные элементы или солнечные воздухонагреватели. Их интеграция часто требует изменения массовых расходов компрессора или турбины, а также различных рабочих тел. Большинство ГТ, представленных в настоящее время на рынке, не предназначены для такого типа интеграции процессов», — отмечается в нем. Он предполагает, что будущие исследования и разработки должны быть направлены на разработку концепций «легко интегрируемых» и гибких газовых турбин, «поскольку в противном случае для каждого цикла потребуется индивидуальная адаптация газовой турбины». В нем говорится, что особое внимание следует уделить применимости модернизации и преобразования, учитывая, что большая часть текущей установленной мощности, в основном состоящая из традиционных электростанций, будет продолжать работать в энергетическом ландшафте 2030 года и далее.

Однако для достижения этой цели потребуются глубокие исследования и испытания материалов и покрытий. Также потребуются надежные инструменты численного моделирования, в том числе система инструментов, позволяющая анализировать расширенные интегрированные циклы без необходимости вручную переключаться между инструментами моделирования электростанции и моделирования процессов. Также необходимо разработать инструменты для анализа переходных процессов процесса, поскольку газовые турбины все чаще используются для балансировки энергии, говорится в сообщении.

Среди нескольких многообещающих усовершенствованных циклов в отчете выделяется сверхкритический CO ₂ циклов (рис. 2). «Коммерческие системы в настоящее время доступны для рекуперации отработанного тепла в масштабе от 5 до 10 МВт [с уровнем технологической готовности (TRL) 9], в то время как технология находится на предкоммерческой стадии (TRL7–8) для применения природного газа». Тем не менее, эти системы все еще нуждаются в разработке компактных, высокоэффективных и экономичных конструкций теплообменников, высокотемпературных кислородных систем сгорания и усовершенствованных конструкций турбомашин. «Системная интеграция как функция масштаба также должна быть лучше понята, поскольку это оказывается критически важным для оптимизации типа привода компрессоров и насосов и работы системы в нестандартных условиях», — говорится в сообщении.

Несмотря на то, что по-прежнему требуются исследования на фундаментальном и прикладном уровнях, сжигание с повышением давления, еще один усовершенствованный цикл, может обеспечить такую ​​же усредненную по времени температуру на выходе из камеры сгорания, как и обычные циклы Брайтона, но при более высоком уровне давления. Мокрые циклы, в которых используется рабочая жидкость с высоким содержанием воды, представляют различные варианты с TRL от 2 до 9.(наиболее зрелым является цикл Ченга), но и здесь необходимы НИОКР по различным компонентам и на системном уровне.

Органические циклы Ренкина (ORC) для стационарного производства электроэнергии в настоящее время уже являются коммерческими (для использования в малых и средних приложениях), но дальнейшие исследования могут повысить производительность и рентабельность. «Необходимы новые концепции цикла, обеспечивающие более высокую тепловую эффективность за счет использования таких функций, как генерация сверхкритического пара, каскадные схемы или циклы, включающие влажное расширение, адаптированные к особенностям определенных приложений, таких как рекуперация отработанного тепла», — отмечается в отчете.

Возникающие вопросы: системная интеграция и хранение энергии

Интеграция технологии газовых турбин в другие системы может предложить инновационные решения, но необходимо решить несколько технических проблем. В то время как коммерческие пилоты находятся в разработке для хранения энергии сжатого воздуха и жидкого воздуха, проблемы связаны с хранением жидкости и хранением тепла / холода.

Аккумулятор тепла, между тем, может использоваться в нескольких различных циклах питания. «Современное состояние высокотемпературного хранения включает в себя технологию фазового перехода (расплавленных солей); в то время как различные комбинации солей (бинарные и тройные) изучаются для достижения температуры выше 520°C, и исследуются другие среды (например, многообещающая технология на основе кремния или технология на основе петлевых солей кальция/углерода). Стабильность, требования к техническому обслуживанию и совместимость материалов — все это вопросы, которые необходимо решать в этой области», — говорится в отчете.

В то же время возможность интеграции теплового накопителя для солнечных гибридных газовых турбин может потребовать разработки уникальных циклов, которые разделят «систему сгорания газотурбинной установки, чтобы обеспечить поступление тепла от теплоаккумулятора, а также управление балансом между солнечными и химическая энергия в переходных процессах». В целом, отмечается в отчете, все схемы хранения энергии ограничены с точки зрения динамического диапазона или операционной гибкости.