Wydajność turbiny gazowej: 5 interesujących faktów do poznania

• Wzór na sprawność turbiny gazowej
• Krzywa sprawności turbiny gazowej
• Sprawność turbiny gazowej wodorowej
• Jak obliczyć sprawność turbiny gazowej
• Sprawność turbiny gazowej w cyklu otwartym
• Ćwicz pytania

Wzór na sprawność turbiny gazowej

Turbiny to maszyny, które wykorzystują energię kinetyczną dowolnego płynu i pomagają przekształcić ją w inną formę energii (głównie elektryczną).

Turbiny wykorzystujące gaz jako płyn roboczy nazywane są turbinami gazowymi. Turbiny gazowe normalnie działają Cykl Braytona w celu osiągnięcia pożądanych wyników.

Dla idealnego cyklu Braytona (pokazanego na rysunku poniżej) wydajność oblicza się jako:

Gdzie h reprezentuje entalpia i indeks dolny reprezentują stan w cyklu Braytona.

Sprawność turbiny jest dany przez-

Gdzie,
Indeks dolny s oznacza stan rzeczywisty.

Krzywa sprawności turbiny gazowej

Cykl turbiny gazowej sprawność rośnie wykładniczo aż do osiągnięcia optymalnej wartości stosunku ciśnień, po czym nie ma znaczącej zmiany sprawności. Czynniki, na których sprawność turbiny gazowej zależy od temperatury na wlocie, stosunku ciśnień i współczynnika ciepła właściwego płynu roboczego.

Z drugiej strony krzywa sprawności turbiny gazowej rośnie powoli. Wraz ze wzrostem temperatury na wlocie wzrasta sprawność turbiny gazowej. Poniższy wykres przedstawia zależność pomiędzy temperaturą wlotową a sprawnością turbiny-

Sprawność turbiny wodorowej

Zapotrzebowanie na turbinę wodorową wynika z troski o środowisko. Wodór jako paliwo jest bardzo przyjazny dla środowiska. Turbiny te redukują emisję CO2.

Wodór jest mieszany z płynem roboczym, a ta kombinacja mieszanki wodorowo-paliwowej zapewnia lepszą wydajność niż używanie samego paliwa. Używanie wodoru w dużych ilościach jest problemem ze względu na jego przechowywanie. Rządy i firmy prywatne pracują nad bezpieczniejszym transportem i magazynowaniem paliwa wodorowego.

Jak obliczyć sprawność turbiny gazowej

Straty mechaniczne prowadzą do pewnego spadku wydajności maszyn. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki żadna maszyna nie może zapewnić 100% wydajności.

Sprawność turbin gazowych można obliczyć za pomocą następujących kroków:

1. Oblicz entalpię we wszystkich punktach cyklu turbiny gazowej.
2. Oblicz rzeczywistą pracę wykonaną przez turbina używając formuły-
   
   Praca wykonana= h4-h3
   
3. Oblicz rzeczywiste praca wykonana przez turbinę z wykorzystaniem rzeczywistych wartości entalpii po stratach mechanicznych.
4. Oblicz wydajność za pomocą zależności-

Sprawność turbiny gazowej w cyklu otwartym

Cykl otwarty to cykl, w którym płyn roboczy nie jest przywracany do warunków początkowych. Raczej jest wyrzucany do zlewu. Formuła wydajności takich cykli nie zmienia się, ale wartości zmieniają się pod wpływem zmiany wartości zmiennych tj. temperatury i ciśnień.

Przykład otwartego cyklu turbiny gazowej pokazano poniżej:

Ćwicz pytania

Co wpływa na sprawność turbiny gazowej?

Sprawność turbiny gazowej zależy głównie od trzech czynników:

• Temperatura na wlocie-
  Zwiększenie temperatury wlotowej turbiny zwiększa jej sprawność. Dodając do tego, obniżająca się temperatura zlewu również zwiększa sprawność turbin gazowych, ale można ją obniżyć tylko do warunków otoczenia, więc nie ma to większego wpływu na sprawność.
• Stosunek ciśnień-
  Stosunek ciśnień P2/P1 jest ważną cechą wpływającą na sprawność turbiny gazowej.
• Współczynnik ciepła właściwego-
  Stosunek ciepła właściwego dla gazów doskonałych wynosi około 1.4, gazy rzeczywiste mają wartości około 1.2-1.3. Dobry płyn roboczy powinien mieć wartość współczynnika ciepła właściwego bliższą wartości izentropowej, czyli 1.4.
  

Dlaczego turbiny gazowe mają niską sprawność?

Turbiny gazowe pracują w cyklach o stałej objętości. Ponieważ gazy mają mniejszą gęstość, wymagają dodatkowego nakładu pracy, aby je skompresować, co zwiększa pracę sprężarki.

Wzór na wydajność podaje się jako wydajność = wykonana praca/dodane ciepło

Wraz ze wzrostem pracy wykonywanej przez sprężarkę, wykonywana praca netto zmniejsza się, a więc zmniejsza się ogólna wydajność. Sprawność turbin gazowych można zwiększyć na wiele sposobów. Najczęstszymi sposobami poprawy sprawności turbin gazowych są chłodzenie regeneracyjne, intercooling, dogrzewanie.

Jak zwiększyć sprawność turbiny gazowej?

Istnieje wiele sposobów na zwiększenie wydajności turbiny gazowej. Czynnikami, które bezpośrednio wpływają na wydajność, są temperatura, stosunek ciśnień i określony stosunek. Zmiana tych wartości może bezpośrednio wpłynąć na wydajność.

 Stąd proponowane sposoby zwiększenia wydajności obejmują zmianę tych wartości. Różne metody stosowane w celu zwiększenia sprawności turbin gazowych to:

• Regeneracja-
  
  W tej metodzie spaliny służą do podgrzewania płynu roboczego w punkcie 2. Powoduje to obniżenie temperatury spalin i wzrost wydajności. Schemat obiegu regeneracyjnej turbiny gazowej i wzór na sprawność podano poniżej:
  

• Intercooler-
  W tej metodzie zmniejsza się pracę kompresora poprzez dwustopniowe sprężanie powietrza. Powietrze jest schładzane przed przejściem do drugiej sprężarki. To chłodzenie powietrza między dwoma etapami nazywa się intercoolingiem. Zmniejszenie pracy sprężarki wiąże się bezpośrednio ze wzrostem wydajności.
• Podgrzewanie-
  W tej metodzie stosuje się dwie turbiny zamiast jednej. Jedna turbina służy do wytwarzania pracy, a druga turbina napędza sprężarkę. W tym procesie dodawane jest więcej ciepła. Ze względu na zmniejszenie pracy sprężarki i wysoką temperaturę wlotową wzrasta sprawność. Schemat obiegu dogrzewania turbiny gazowej pokazano poniżej:
  

• Dogrzewanie, dochładzanie i regeneracja połączone-
  W tej metodzie wszystkie trzy metody są połączone. Koszty konfiguracji mogą wzrosnąć, ale ogólna wydajność wzrasta dzięki połączeniu powyższych trzech metod.

Połączona wydajność cyklu turbiny gazowej

Połączony cykl turbiny gazowej wykorzystuje wiele turbin gazowych pracujących w tandemie, aby zapewnić większą wydajność.

Spaliny z pojedynczego cyklu turbiny gazowej są nadal na tyle gorące, że mogą uruchomić kolejny cykl. Zwykle wymiennik ciepła stosuje się między wydechem pierwszego silnika a wlotem drugiego silnika, aby używać różnych płynów roboczych. Wydajność drugiego cyklu jest mniejsza niż pierwszego cyklu, ale ogólna sprawność połączonego cyklu turbiny gazowej wzrasta.

Pierwszy cykl nazywany jest cyklem toppingu i zapewnia większą wydajność. Kolejny cykl nazywany jest cyklem dolnym i może mieć inne paliwo (w zależności od temperatury spalin pierwszego cyklu) i daje mniejszą wydajność niż pierwszy. Ogólnie rzecz biorąc, cykl łączony może zapewnić o 50% większą wydajność.

Poniżej podano wzór na obliczenie całkowitej sprawności połączonego cyklu turbiny gazowej