ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕРЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, ДОСТИГНУТОГО С ПОМОЩЬЮ ВПУСКНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСЬЮ В ЮГО-ВОСТОЧНОЙ АЗИИ

1. Введение

С приходом в 1989 году на рынок газотурбинных установок (ГТУ) систем впускного охлаждения пароводяной смесью они продемонстрировали значительные преимущества в области стоимости, легкости установки и эксплуатации по всему миру. В настоящее время в эксплуатации находятся около 700 установок впускного охлаждения пароводяной смесью (ПВС) для различного вида наземных ГТУ мощностью от 2 MВт до 250 MВт. При использовании данного вида охлаждения возможно достижение усиления мощности до 30% в зависимости от типа турбины и расположения объекта.

1. Что такое впускное охлаждение пароводяной смесью?

Одним из основных способов увеличения мощности ГТУ при работе на фиксированных оборотах, например, при выработке электроэнергии, является охлаждение воздуха на впуске. Охлажденный воздух является более плотным, следовательно, способствует выработке большего количества энергии. Наиболее традиционными способами охлаждения воздуха на впуске являются:

1. Испарительные системы с использованием охлаждающего агента     
2. Установки искусственного охлаждения
3. Охлаждающие установки абсорбирующего типа.

Все вышеперечисленные методы используются уже на протяжении 30 лет. Метод впускного охлаждения пароводяной смесью наиболее схож с принципом работы испарительных систем, за исключением того, что вместо использования пассивного водонасыщенного промежуточного агента, через который проходит впускаемый воздух, охлаждение пароводяной смесью является активной системой и использует малое количество пароводяной смеси на основе воды высочайшего качества, выпрыскиваемое под высоким давлением в отдельных точках воздухозаборника через специальные форсунки  для создания охлаждающего эффекта. Количество пароводяной смеси постоянно контролируется метеостанцией, которая отслеживает реальные метеоусловия по сухому и смоченному термометру и регулирует количество подаваемой охлаждающей смеси.

Стандартная система впускного охлаждения пароводяной смесью состоит из насосной установки высокого давления на раме, подсоединенной магистралями подачи к решетке трубопроводов, расположенных на соответствующей плоской поверхности поперек воздухозаборника компрессора. Трубопроводы имеют форсунки, расположенные по их длине, через которые происходит распыление воды в воздух на впуске. Через каждую форсунку проходит 3 мл воды в секунду, производя 3 миллиарда капель в секунду. Пароводяная смесь испаряется очень быстро, что значительно понижает температуру на входе. На рис. А представлена типичная система охлаждения пароводяной смесью, расположенная на воздухозаборнике газотурбины.

1. Преимущества пароводяного охлаждения

Пароводяное охлаждение имеет ряд преимуществ перед прочими технологиями охлаждения:

а. легкость модернизации на существующих ГТУ, отсутствие необходимости значительных изменений/дополнений или увеличения воздухозаборников
б. наименьшая стоимость увеличения мощности за МВт из всех технологий охлаждения впускного воздуха, около 1/6 для систем охлаждения и 1/3 для испарительных систем
в. наименьшее время простоя для установки, в среднем от 1 до 3 дней.    
г. быстрая окупаемость, иногда менее года
д. незначительное падение давления в воздуховоде, менее 0,1 дюйма водяного столба (в испарительных системах падение давления обычно составляет от 1 до 2 дюймов, что отрицательно влияет на производительность в течение года эксплуатации) 
е. при использовании пароводяной смеси происходит практически 100% испарение, следовательно, эффективность такого охлаждения выше, чем для испарительных систем
ж. возможно усиленное распыление, когда избыточное количество пароводяной смеси намеренно впрыскивается во впускное отверстие компрессора, что позволяет усилить мощность.

Рис. А - Типовая система впускного охлаждения пароводяной смесью на крупной ГТУ

1. Климатические условия Азии

Некоторые производители силовых установок имеют ошибочное мнение, что в определенных азиатских регионах испарительное охлаждение вохдухозаборника не может обеспечить какую-либо экономическую выгоду. Местные климатические условия считаются слишком влажными для реализации любых попыток экономически выгодного охлаждения воздухозаборника испарением. Возможно, такое понимание основывается на ранее использовавшихся технологиях испарительного охлаждения, требовавших высокой предоплаты, длительного простоя и значительных модификаций/дополнений конструкции воздухозаборника, а также менее эффективных при достижении условий по смоченному термометру.  

Внедрение систем впускного охлаждения пароводяной смесью с низкой исходной и эксплуатационной стоимостью, незначительным временем простоя для установки и более высокой эффективностью охлаждения в достаточной степени изменило экономический аспект ситуации и привело к конкурентоспособности данных систем при использовании для форсирования мощности даже в самых влажных районах Азии.

1. Предоставление метеоданных

Другим важным фактором, который необходимо принять во внимание, является то, что зачастую предоставленные  метеоданные являются недостоверными. Довольно редко в наличии имеются данные сухого термометра и соответствующие им данные смоченного термометра. Зачастую метеослужбы указываю наибольшую температуру по сухому термометру в течение дня и наибольшую влажность, НО эти значения не достигаются в одно и тоже время. Следовательно, появляется гораздо больше возможностей охлаждения испарением, чем это можно было предположить вначале.

Данное отношение представлено на рис. В. Рис. В представляет собой психрометрическую карту, где сплошная линия показывает изменение температуры и относительной влажности в течение 24 часов в типичном азиатском прибрежном районе. Реальный объем воды в воздухе остается достаточно стабильным и определяется местными условиями, такими как температура океана и направление ветра.

Как можно увидеть на графике, ночная температура 19°С будет иметь относительную влажность 90%, но в течение суток при повышении температуры по сухому термометру, влажность понижается, а так как количество воды в воздухе значительно не изменяется в течение дня, мы может получить температуру 37°С и соответственно уменьшение влажности до 33%.

Таким образом, в условиях высоких температур мы можем достичь охлаждения испарением в 13°С, что может дать 13% увеличения мощности на стандартной ГТУ при использовании впускного охлаждения испарением пароводяной смеси.

Рис.В Психрометрическая карта
Типовой диапазон суточных температур и относительной влажности

1. Определения, используемые при охлаждении пароводяной смесью

Прежде, чем начать исследование, необходимо ознакомиться со следующими терминами. Ключевыми понятиями при определении потенциала охлаждения испарением являются:

- психрометрическая разность (или степень возможного охлаждения)
Разница между значениями температур сухого и смоченного термометра в определенный момент времени. В течение суток максимальная психрометрическая разность присутствует в наиболее жаркое время дня. Это количественный показатель степени возможного охлаждения испарением.

- градусо-часы охлаждения испарением на объекте
Количество градусо-часов охлаждения испарением в определенный период времени на конкретном объекте.

Надежным источником получения данных о погоде в Азии является Государственный климатический информационный центр, расположенный в США. В нашем исследовании мы использовали данные, полученные из двух источников:

1. Метеосводка международной метеостанции за 1996 г. по 6300 участкам местности, расположенным по всему миру. 
2. Технические метеоданные по 800 участкам местности, расположенным по всему миру.

 
На основе зарегистрированных данных мы можем рассчитать количество градусо-часов охлаждения испарением за сутки, неделю, месяц или год на конкретном объекте. Как сказано выше, эти данные по конкретному участку местности можно получить из имеющихся метеоданных.

- возможность охлаждения в расчетный период на объекте
Максимальная расчетная психрометрическая разность, полученная из годовых метеоданных по данному участку и необходимая для определения требуемых габаритов системы пароводяного охлаждения. Психрометрическая разность – это разница между показаниями сухого и смоченного термометра в определенный момент времени.
На типовом объекте с ГТУ, по метеоданным, максимальная психрометрическая разность может составить всего 0,5 часов в год, следовательно, расчетное время года обычно выбирается для психрометрической разности, имеющей место, по крайней мере, 20 раз в год или более, в зависимости от состояния объекта и необходимости увеличения мощности в данных чрезвычайных условиях. Данное значение определяет максимальную возможную степень охлаждения, и, следовательно, размеры и стоимость системы охлаждения пароводяной смесью.

- расчетное усиление мощности ГТУ (МВт) 
Данное значение рассчитывается по данным производителя для конкретной турбины и отражает охлаждающий эффект пароводяной смеси на воздух, поступающий в воздуховод. Обычно, рамная ГТУ вырабатывает чуть менее 1% дополнительной мощности  на каждый 1°С охлаждения воздухозаборника. Следовательно, использование системы пароводяного охлаждения, разработанная для охлаждения на 15°С, приведет к увеличению мощности на 10-15% в расчетный период. Усиление мощности может быть даже большим, при условии установки на ГТУ авиационного типа, такие как GE LM 6000, RR Avon или P&W FT-4.

- расчетное усиление мощности на конкретном объекте (МВт-час)
Одним из наиболее важных моментов для эксплуатанта является общее количество дополнительной мощности, которое может быть выработано при использовании системы пароводяного охлаждения  на конкретном объекте и конкретной турбине. Данная величина может быть рассчитана на основе метеоданных по градусо-часам охлаждения испарением для конкретного участка.
Формула, используемая для расчета, достаточно проста:
Усиление мощности на объекте = Основная мощность МВт х Градусо-часы охлаждения х %Усиление мощности/Степень охлаждения

Таким образом, для стандартного объекта с ГТУ, расположенного на территории Азии, с 20 000 градусо-часами охлаждения и средней выходной мощностью 80 МВт в летнее время и с увеличением мощности на 1% на каждый градус °С, мы можем предсказать следующее усиление мощности объекта:

80 х 20000 х 0,01 МВт-час при охлаждении пароводяной смесью

При стоимости 30$/МВт-час данный вид охлаждения обеспечит экономию 480 000$ в год. Учитывая, что стоимость системы охлаждения пароводяной смесью для данной турбины может составить 190 000$, окупаемость системы очевидна. Система пароводяного охлаждения  также оказывает влияние на тепловую мощность, что также положительно сказывается на ее окупаемости.

1. Метеоданные для конкретных районов Азии

 
В приведенных ниже таблицах представлены результаты изучения различных районов Азии. При исследовании использовались метеоданные из базы Государственного климатического информационного центра. 

Таблица 1 – Градусо-часы охлаждения испарением

Таблица 2 – Усиление мощности объекта по регионам (МВт-час)

В данной таблице представлены расчетные данные по усилению мощности для различных объектов с различными типами газотурбинных установок. Газотурбины авиационного типа наиболее чувствительны к изменениям температур и их показатели усиление мощности наиболее высоки.

1. Усиление мощности за счет распыления пароводяной смеси – Дополнительное преимущество

Охлаждение пароводяной смесью позволяет использовать еще один способ усиления мощности, отличающийся от впускного охлаждения. Он называется охлаждение распылением. Охлаждение пароводяной смесью является активной системой, для полного ее испарения можно увеличить ее количество. Это дополнительное количество смеси впрыскивается непосредственно в компрессор и осуществляет промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора, увеличивая, таким образом, КПД ГТУ.

Данный способ охлаждения не настолько эффективен, как охлаждение воздуха на впуске, в отношении необходимости использования воды, но он не зависит от условий окружающей среды, а следовательно, может использоваться непрерывно, вырабатывая дополнительную мощность при любых значениях температуры выше 12 ?С по сухому термометру. В настоящее время в эксплуатации находится ряд систем с объемом распыления от 0,6 до 1%.

Таблица 3 – Усиление мощности при использовании распыления

В представленной ниже таблице показана дополнительная мощность в МВт, полученная при использовании системы пароводяного охлаждения с 0,6% распылением при работе 8000 ч/год на различных моделях ГТУ при средней температуре окружающего воздуха 22 ?С и влажности 50%.

Значения усиления мощности, приведенные в таблице, выглядят впечатляюще. Эти данные были получены при использовании ПО GT-Pro, производства компании Thermoflow Inc., США. Сравните полученные данные с данными из Таблицы 2 по усилению мощности при использовании пароводяного испарения.

1. Регулирование теплового потока – Основное преимущество использования пароводяного охлаждения

Еще одним преимуществом пароводяного охлаждения является положительное воздействие на тепловой поток. За счет охлаждения впускного воздуха компрессора повышается КПД общего рабочего цикла ГТУ, что приводит к сокращению потребления топлива на Вт. Такое регулирование теплового потока не ограничивается созданием дополнительной мощности, но отражается также и на выходной мощности ГТУ. Примеры регулирования теплового потока для различных ГТУ при температуре пароводяной смеси 5,5 ?С приведены в Таблице 4.

Таблица 4 – Регулирование теплового потока для различных типов ГТУ

Экономия топлива более чем возмещает дополнительные затраты на деминерализованную воду при усилении мощности в системах пароводяного охлаждения. Деминерализованная вода необходима для защиты внутренних компонентов турбины.

1. Затраты на эксплуатацию и обслуживание системы пароводяного охлаждения

Наибольшие расходы при использовании системы пароводяного охлаждения влечет применение деминерализованной воды. Типовая система потребляет около 200 галлонов (800 литров) воды на каждый МВт дополнительной мощности. Но это значение будет гораздо ниже для турбин авиационного типа. Таким образом, для рассмотренного выше примера турбины мощностью 8 МВт, где за счет пароводяного охлаждения появляются дополнительные 16000 МВТ-час, расход деминерализованной воды составит 2,3 млн. галлонов в год.  Данное значение кажется высоким, но среднее потребление воды составит порядка 18 галлонов/мин (67 л/мин) в расчетный период времени 3000 часов работы системы пароводяного охлаждения.

При средней стоимости 0,0015$ за галлон стоимость деминерализованной воды составит около 16$ в час или 48000$ в год. Стоимость обслуживания составит примерно 3$ за час работы. Из расчета 3000 часы работы, общая сумма составит 9000$ в год. Насосы высокого давления системы пароводяного охлаждения потребляют весьма незначительное количество повышенной энергии, что составляет порядка 2500$ в год.

1. Экономия топлива

Экономия топлива легко покрывает все вышеперечисленные расходы. Как описано выше, дополнительная мощность вырабатывается с использованием топлива на 25% менее, чем при выработке базовой мощности, как показано в Таблице 5.
При стоимости топлива, к примеру, 4$/миллион БТЕ и среднем тепловом потоке 10000 БТЕ/кВт-час, ежегодная средняя экономия топлива для дополнительных 16000 МВт-часов (или 16000000 кВт-часов) мощности, вырабатываемой при помощи пароводяного охлаждения, составит:

16000000 х 0,25 х 10000 х 4$/1000000 = 160000.

Экономия топлива будет в 3 раза больше, чем все расходы на эксплуатацию, воду и техобслуживание системы пароводяного охлаждения.

1. Примеры применения систем пароводяного охлаждения в Азии

   
А сейчас мы рассмотрим реальные установки пароводяного охлаждения и убедимся в их эффективности. В Азии уже установлены несколько таких систем, фактические рабочие характеристики некоторых из них представлены ниже.

1. Пример А – Куала Лумпур, Малайзия

Система пароводяного охлаждения впускного воздуха была установлена на турбине простого цикла модели ABB 13E для компании Tenaga Nacional Bernard на электростанции Connaught Bridge недалеко от Куала Лумпур, Малайзия. Установка системы была выполнена своевременно, были проведены углубленные испытания для подтверждения заявленного увеличения мощности в расчетный период времени. Испытания пройдены успешно, значения увеличения мощности значительно превзошли расчетные значения. 

1. Результаты испытаний

Испытания показали усиление мощности ГТУ на 8,5% (11,0 МВт) при расчетной температуре 32°С и влажности 65%.  Производительность системы пароводяного охлаждения составила 21,9°С при расходе 266 л/мин. Активными были все ступени подачи пароводяной смеси, следовательно, испарение составило 6,3°С (что приравнивается к 0,24% массового расхода воздуха), а оставшийся объем пароводяной смеси поступал в компрессор (что приравнивается к 0,6% массового расхода воздуха) в виде распыления.

Краткий обзор результатов испытаний, выполненных 21 и 22 марта 2001г. представлен ниже.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТАНЦИИ CONNAUGHT BRIDGE
Испытание №1 (21.03.2001)

Второе испытание было выполнено на следующий день, и показало данное усиление мощности:

 
* Откорректировано по изменениям влияния окружающей среды на мощность между двумя контрольными точками.

1. Результаты испытания на усиление мощности

Испытания показали, что среднее усиление мощности составило 9,7%, превышая, таким образом, расчетное значение 8,5%.

1. Работа системы пароводяного охлаждения

Расход пароводяной смеси, топлива и прочие данные, полученные в ходе испытаний, представлены ниже:

Таблица 4 – Результаты испытаний

Обратите внимание, что усиление мощности было достигнуто при общей экономии топлива 4% для всей выходной мощности ГТУ. Или иными словами дополнительное усиление мощности при расходе топлива на 46% на МВт меньше, чем при выработке базовой мощности.

1. Пример Б – Медан, Индонезия

Установка другой системы пароводяного охлаждения была выполнена на ГТУ Siemens V94.2 для компании PLN на объекте Belawan около Медана, Индонезия. Система пароводяного охлаждения была установлена и введена в эксплуатацию в мае 2002г.

Таблица 5 – Результаты испытаний

При проведении испытаний ГТУ работала на дизельном топливе. Система пароводяного охлаждения  была разработана для максимального потока деминерализованной воды 22,7 галлона/мин (86 л/мин), что дает охлаждение пароводяной смесью на 6°С. Были получены значения усиления мощности на 4,7 МВт, 5,4 МВт и 4, МВт. Среднее значение увеличения мощности на 1°С охлаждения составило 1,2 МВт, что представляет собой усиление мощности около 0,9% на 1°С. Система пароводяного охлаждения работала в режиме испарения плюс режим распыления (0,1%).

1. Выводы

В течение последних 12 лет система впускного охлаждения ГТУ пароводяной смесью подтвердила свою экономичность и эффективность при применении на газовых турбинах и выработке дополнительной мощности. Данная технология в настоящее время применяется более чем на 700 ГТУ по всему миру, что позволяет отслеживать достигнутые результаты.

Благодаря низкой стоимости установки и эксплуатации, система пароводяного охлаждения доказала свою экономическую жизнеспособность как способ увеличения выходной мощности ГТУ в районах Юго-Восточной Азии, которые в противном случае, при использовании других имеющихся технологий охлаждения могли бы считаться малорентабельными. 

Системы пароводяного охлаждения были установлены на ряде газовых турбин и прочих изделий, как с простым рабочим циклом, так и комбинированным рабочим циклом и мощностью от 2 МВт до 250 МВт.

Обычно, экономия топлива, полученная вследствие использования пароводяного охлаждения, и доход от выработки дополнительной мощности покрывает затраты на  установку и эксплуатацию, включая потребление деминерализованной воды, через 2 года или менее, в зависимости от расположения объекта, типа турбины и потребления мощности.

Мощность, полученную с использованием пароводяной смеси можно дополнительно увеличить за счет применения распыления, что также подтвердило эффективность использования систем пароводяного охлаждения распылением. Функция распыления также представляется достаточно привлекательной с точки зрения выработки энергии независимо от погодных условий.